WO2022233603A1 - Two-compression-stage electric gas compressor - Google Patents

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WO2022233603A1
WO2022233603A1 PCT/EP2022/060740 EP2022060740W WO2022233603A1 WO 2022233603 A1 WO2022233603 A1 WO 2022233603A1 EP 2022060740 W EP2022060740 W EP 2022060740W WO 2022233603 A1 WO2022233603 A1 WO 2022233603A1
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WO
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gas
compression wheel
compression
electric machine
compressor
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/060740
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French (fr)
Inventor
Mickael LOSZKA
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08Centrifugal pumps
    • F04D17/10Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12Multi-stage pumps
    • F04D17/122Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00Pumping installations or systems
    • F04D25/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D25/0606Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the electric motor being specially adapted for integration in the pump
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806Cooling the drive system
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/50Inlet or outlet
    • F05D2250/51Inlet
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas compression, in particular for supplying air to a fuel cell or an internal combustion engine.
  • a fuel cell transforms chemical energy into electrical energy.
  • the chemical reaction implemented is a combustion of hydrogen in oxygen, the reaction of which can be written by the equation:
  • the electrochemical oxidation of hydrogen is carried out at the level of an anode made of a conductive catalytic material, while the electrochemical reduction of oxygen occurs at the level of a cathode. generally made of the same catalytic material.
  • the anodic and cathodic compartments are separated by an electrolyte allowing the exchange of protons or ions.
  • the fuel cells which currently prove to be the most promising are so-called proton exchange membrane cells, operating from a source of hydrogen coming either from a bottle on board the vehicle, or from a unit producing hydrogen directly in the vehicle.
  • hydrogen can be produced directly using a reformer operating with an appropriate fuel, such as methanol, gasoline, diesel fuel, etc.
  • an air admission is carried out by an air admission.
  • This intake generally uses an air compressor to increase the amount of air introduced into the fuel cell.
  • the engine intake often includes supercharging means, which include a compressor, which can take the form of a turbocharger.
  • a first technical solution may be to use a single compression wheel, however such a compression wheel must have a large radial dimension, which increases its bulk and its mass, which makes its use in an embedded application.
  • a design requires a high rotation speed, which imposes strong constraints on the drive level (for example on the level of the electric machine) and on the level of the bearings ensuring the rotation of the compressor shaft.
  • patent applications RU157678, RU157236, RU143266, JP2004332666 and W00017524 relate to electrified compressors with two compression stages, in which the electric machine is arranged between the two compression wheels.
  • This design requires a large space between the two compression wheels, and generates stresses for the cooling and lubrication of the electric machine.
  • the object of the invention is to compress a gas with a high compression ratio and by limiting the size of the compressor.
  • the present invention relates to a two-stage electrified gas compressor, for which the electric machine is placed in the gas flow of the first compression wheel, and for which the second compression wheel is arranged in the opposite direction to the direction of the first compression wheel.
  • the use of two compression wheels ensures a high compression ratio and limits the weight of the compressor. Given the arrangement of the electric machine in the gas flow, the electric machine is included in the inlet of the compressor, which reduces its bulk, moreover, the bulk between the two compression wheels is reduced.
  • the invention relates to an electrified gas compressor with two compression stages comprising an electric machine, a drive shaft driven by said electric machine, a first compression wheel mounted on said drive shaft, and a second compression wheel mounted on said compression shaft.
  • Said electric machine is arranged in the gas flow supplying gas to said first compression wheel, and said second compression wheel is arranged on said drive shaft in the opposite direction to the direction of said first compression wheel.
  • said electric machine comprises at least one gas passageway through the stator of said electric machine and/or through the air gap of said electric machine, said at least one gas passageway supplying gas said first compression wheel.
  • said electric machine is a stator grid machine in which said at least one gas passageway is located in said stator of said electric machine.
  • said compressor comprises a conduit which connects the gas outlet of said first compression wheel to the gas inlet of said second compression wheel.
  • said conduit comprises a heat exchanger.
  • said compressor comprises at least one rolling means arranged between said first compression wheel and said second compression wheel.
  • said rolling means is chosen from a roller bearing, a ball bearing, an air bearing or a magnetic bearing.
  • said first compression wheel and said second compression wheel have an axial gas inlet and a radial gas outlet.
  • said compressor comprises a second electrical machine arranged in the gas flow supplying gas to said second compression wheel.
  • the invention relates to an electricity generation system comprising a fuel cell and a gas compressor according to one of the preceding characteristics for supplying said fuel cell with compressed air.
  • the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising a system for generating electricity according to one of the preceding characteristics, and an electric traction machine for moving said vehicle, the electric traction machine being powered by said power generation system.
  • Figure 1 illustrates a gas compressor according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 2 illustrates a gas compressor according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a cross section of a stator grid electric machine that can be used in the compressor according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a longitudinal section of a large air gap electric machine that can be used in the compressor according to one embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a sectional view of a compressor according to one embodiment of the invention.
  • Figure 6 illustrates a compressor according to a third embodiment of the invention.
  • the present invention relates to a gas compressor.
  • the compressor is electrified.
  • the compressor is driven by at least one electric machine.
  • the compressor is two-stage.
  • the compressor comprises two compression stages, so as to successively compress the gas, making it possible to obtain significant gas compression at a limited rotational speed.
  • the compressor according to the invention comprises:
  • At least one electric machine At least one electric machine
  • a drive shaft driven by the electric machine A drive shaft driven by the electric machine
  • first compression wheel and second compression wheel is considered in the order of the compression wheels in which the gas circulates.
  • the gas is compressed first in the first compression wheel, and in a second time in the second compression wheel.
  • the electric machine is arranged in the flow of gas supplying the first compression wheel.
  • the electric machine is arranged at the inlet of the first compression wheel, the gas flow passing through the electric machine before entering the first compression wheel.
  • the electric machine is included in the intake of the compressor, which reduces the bulk of the compressor, moreover, the bulk between the two compression wheels is reduced (there is no electric machine arranged between the two compressor wheels).
  • all of the gas which enters the first compression wheel passes through the electric machine.
  • no gas circulates around the electrical machine.
  • the rotor of the electric machine can be in contact with one end of the first compression wheel to limit the size, by reducing the distance between the electric machine and the first compression wheel.
  • the second compression wheel is arranged on the drive shaft in the opposite direction to the direction of the first compression wheel.
  • the two compression wheels are mounted back to back: the faces of the compression wheels including the outlets of the compression wheels face each other. This arrangement of the two compression wheels allows a balancing of the forces, and a simplified implementation of the compressor.
  • the first compression wheel and the second compression wheel can be centrifugal wheels.
  • the first compression wheel and the second compression wheel may be compression wheels having an inlet axial and a radial outlet.
  • This design favors the implementation of compression wheels.
  • the input of the first compression wheel is oriented towards the electrical machine, while the input of the second compression wheel is oriented towards the other. end of the drive shaft.
  • the two compression wheels can be of different types.
  • the electric machine may comprise at least one gas passageway through the electric machine.
  • this at least one gas passageway can be located in the stator of the electric machine, and/or be located in the air gap of the electric machine. This gas passageway allows the admission of gas into the first compression wheel.
  • the electric machine can be a stator grid electric machine.
  • the gas passageway is located in the stator of the electric machine.
  • An example of such an electric machine is described in particular in patent application FR 3041831 (US 2018-0269744).
  • Such an electric machine comprises a rotor and a stator.
  • the rotor may include at least one permanent magnet.
  • the stator comprises an outer crown, and radial stator teeth directed towards the rotor. Between the stator teeth is delimited a volume in which coils (to generate a magnetic flux) are mounted, and in which the gas passageways are formed. The coils are positioned close to the crown of the stator and away from the rotor.
  • the gas passageways are delimited by the stator teeth and the coils. These gas passageways are preferably large in size to limit pressure drops in the gas flow.
  • the cross-sectional area of the gas passageways may be at least similar to the cross-sectional area of the coils.
  • the section of the passageways can have substantially a triangular shape. This type of electric machine allows better magnetic performance compared to electric machines with a large air gap, for a limited mass.
  • the passage of gas makes it possible to cool the coils of the stator, which makes it possible to use an electric machine without a cooling system or with a simplified cooling system.
  • the electric machine can be an electric machine of the large Airgap (large air gap) type.
  • the air gap that is to say the space between the rotor and the stator, is large, so as to allow the flow of gas to pass.
  • the compressor may further comprise a pipe which connects the outlet of the first compression wheel to the inlet of the second compression wheel.
  • the pipe has a first radial portion (relative to the first compression wheel), and a last axial portion (relative to the second compression wheel).
  • the pipe which connects the two compression wheels can comprise a heat exchanger.
  • the heat exchanger can make it possible to reduce the temperature of the gas before entering the second compression wheel, and thus improve the performance of the compression. Indeed, it is easier to compress a cold fluid than a hot fluid.
  • This embodiment option of the invention is particularly suitable for the use of the compressor for a fuel cell, for which the temperature of the gas (air) must be limited to protect the fuel cell components.
  • the heat exchanger can be a heat exchanger with a coolant from a cooling circuit, the coolant can comprise water or any similar fluid.
  • the compressor may comprise at least one rolling means.
  • the rolling means can preferably be arranged between the first compression wheel and the second compression wheel.
  • the compressor may comprise two rolling means, the two rolling means being arranged between the first compression wheel and the second compression wheel, one close to the first compression wheel, and one close to the second compression wheel.
  • the compressor may comprise successively, along the drive shaft, the electric machine, the first compression wheel, at least one rolling means, and the second compression wheel.
  • the rolling means may be a bearing, a roller bearing, a ball bearing, an air bearing, a magnetic bearing, or any similar means.
  • These rolling means in particular the frictionless rolling means (balls, air, magnetic) make it possible to simplify the lubrication system and to limit lubrication leaks, which can pollute the compressed gas, such leaks possibly being particularly problematic.
  • the hydrocarbons present in the means of Lubrications can cause damage to the proton exchange membrane of the fuel cell.
  • the compressor may comprise a second electric machine.
  • the second electric machine can be arranged in the gas flow supplying gas to said second compression wheel.
  • the gas circulates successively in the first electric machine, the first compression wheel, the second electric machine and the second compression wheel.
  • the second electric machine can be identical (same type, same size) to the first electric machine arranged in the flow of gas supplying the first compression wheel.
  • the compressor can be symmetrical.
  • the second electrical machine can be a stator grid machine, in which the gas passes through the stator.
  • the second electric machine can be a machine with a large air gap.
  • the pipe connects the outlet of the first compression wheel to the inlet of the second electric machine, the inlet of the second electric machine being considered in the direction of gas flow.
  • FIG. 1 illustrates, schematically and in a non-limiting way, an electrified gas compressor with two compression stages according to a first embodiment of the invention.
  • the compressor 1 comprises an electric machine 2 which drives a drive shaft 5.
  • a first compression wheel 3 is mounted on the drive shaft 5.
  • a second compression wheel 4 is mounted on the drive shaft 5
  • the second compression wheel 4 is arranged in the opposite direction to the direction of the first compression wheel 3.
  • the compressor 1 further comprises two bearings 6 for guiding the drive shaft 2 in rotation.
  • compressor 1 comprises a pipe 7 which connects the radial outlet 10 of the first compression wheel 3 to the axial inlet 11 of the second compression wheel 4.
  • the arrows illustrate the circulation of the gas to be compressed by the compressor.
  • a gas to be compressed 8 for example air, passes through the electric machine 2 through at least one gas passageway 9. Then, the gas passes through the first compression wheel 3 to come out through the outlet 10 of the first compression wheel 3. The compressed gas passes through the pipe 7 to arrive at the inlet 11 of the second compression wheel 4. The compressed gas leaves the second compression wheel 4 through the outlet 12 of the second compression wheel 4.
  • FIG. 2 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a compressor according to a second embodiment of the invention.
  • the pipe 7 further comprises a heat exchanger 13.
  • the heat exchanger 13 exchanges heat between the compressed gas at the outlet of the first compression wheel 3 and a cooling fluid.
  • the compressed gas comes out cooled before the second compression.
  • Figure 3 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electric machine with a stator grid, as described in patent application FR 3041831 (US 2018-0269744).
  • Figure 3 is a sectional view in a plane transverse to the axis of the rotor and the stator.
  • the electric machine 2 comprises a rotor 17 and a stator 14.
  • An air gap E is provided between the rotor 17 and the stator 14.
  • This air gap E is of limited size (for example of the order of 0.5 mm) to improve the magnetic performance of the electric machine.
  • the stator 14 of the electric machine comprises a crown 20, from which a plurality of stator teeth 18 start.
  • the stator teeth 18 are radial.
  • a volume 16 is formed by the stator teeth 18 and the crown 20.
  • the coils 19 which generate a magnetic flux.
  • the coils 19 are arranged close to the crown 20 and are remote from the rotor 17.
  • gas passageways 15 are formed in these volumes 16.
  • the gas passageways 15 are delimited by the stator teeth 18 and by the coils 19.
  • These gas passageways 15 have substantially a triangular section.
  • the area of the section of the gas passageways 15 is at least similar to the area of the section of the coils 19.
  • Figure 4 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electrical machine with a large air gap.
  • Figure 4 is a sectional view in the longitudinal plane to the axis of the rotor and the stator.
  • the electric machine 2 comprises a rotor 17 and a stator 14.
  • An air gap E is provided between the rotor 17 and the stator 14.
  • This air gap is of large size (of the order of a few mm, or even a few cm), so to form an annular passageway 9 around the rotor 17.
  • almost all of the gas supplying the first compression wheel of the compressor passes through the electrical machine in the air gap E.
  • Figure 5 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a compressor according to one embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a longitudinal sectional view of the electrified compressor with two compression stages.
  • the stator of the electric machine, and the casing are not represented.
  • the rotor 17 At one end of the drive shaft 9 is fixedly mounted the rotor 17.
  • the rotor 17 comprises a permanent magnet 21 and a non-magnetic hoop 22.
  • Other embodiment variants of the rotor can be envisaged.
  • a first compression wheel 3 is mounted on the drive shaft 9.
  • a second compression wheel 4 At the other end of the compression shaft 9 is mounted a second compression wheel 4.
  • a first bearing support 24 for mounting a rolling means for guiding in rotation in a housing.
  • the rolling means comprises the bearing support in the form of a spacer 24 and a ring 27, as well as rolling elements such as balls (not shown).
  • the spacer 24 bears against the shoulder 25 of the drive shaft 9.
  • the ring 27 is provided with means for lubricating the rolling means.
  • retaining means such as a nut 23 can be provided at the second end of the drive shaft 9. The nut 23 allows the mounting and holding in position of the second compression wheel 4.
  • FIG. 6 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a compressor according to a third embodiment of the invention.
  • the compressor comprises a second electric machine 2′.
  • the second electric machine 2' is arranged in the flow of gas from the second compression wheel 4.
  • the second electric machine 2' comprises at least one gas passageway 9', which makes it possible to direct the gas at the outlet of the pipe 7 to the second compression wheel 4.
  • This embodiment may also include a heat exchanger (not shown) on line 7.
  • the invention relates to an electricity generation system.
  • the electricity generation system comprises at least one fuel cell and one compressor according to any one of the variants or combinations of variants as described previously.
  • the compressor generates compressed air for the oxygen intake of the fuel cell.
  • the compressor according to the invention is particularly suitable for the air compression for a fuel cell, in particular in terms of compression ratio and air temperature.
  • the fuel cell can be a low-temperature fuel cell, for example a fuel cell of the proton-exchange polymer membrane (PEMFC) type.
  • PEMFC proton-exchange polymer membrane
  • the fuel cell can be a high temperature fuel cell, for example SOFC from the English “Solid Oxide Fuel Cell” which can be translated as solid oxide fuel cell or MCFC from the English “Molten Carbonate Fuel Cell”. which can be translated as molten carbonate fuel cell.
  • the invention also relates to an internal combustion engine provided with a compressor according to any one of the variants or combinations of variants as described previously.
  • the compressor generates compressed air for the air intake into the cylinders of the internal combustion engine.
  • the invention relates to a vehicle, in particular an automobile road vehicle or heavy goods vehicle (or also a bus, a boat, an airplane, a hovercraft, an amphibious vehicle, etc.), comprising a fuel cell supplying at least one electric machine, and a compressor according to any one of the variants or combinations of variants described above.
  • the fuel cell can be a low-temperature fuel cell, for example a fuel cell of the proton-exchange polymer membrane (PEMFC) type. This type of fuel cell is currently the most suitable for mobile applications, in particular because of its cost.
  • PEMFC proton-exchange polymer membrane
  • the fuel cell can be a high temperature fuel cell, for example SOFC from the English “Solid Oxide Fuel Cell” which can be translated as solid oxide fuel cell or MCFC from the English “Molten Carbonate Fuel Cell”. which can be translated as molten carbonate fuel cell.
  • SOFC SOFC from the English “Solid Oxide Fuel Cell” which can be translated as solid oxide fuel cell
  • MCFC MCFC from the English “Molten Carbonate Fuel Cell”. which can be translated as molten carbonate fuel cell.
  • the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle or heavy goods vehicle (or also a coach, a boat, an airplane, a hovercraft, an amphibious vehicle, etc.), comprising an internal combustion engine provided with a compressor according to one any of the variants or combinations of variants as described previously.
  • the invention also relates to a fuel cell or an internal combustion engine for a stationary system, the fuel cell or the internal combustion engine being equipped with a compressor according to any one of the preceding characteristics.

Abstract

The present invention relates to a two-stage electric gas compressor (1), in which the electric machine (2) is arranged in the gas flow of the first compression wheel (3), and in which the second compression wheel (4) is arranged in the opposite direction to that of the first compression wheel (3).

Description

COMPRESSEUR DE GAZ ELECTRIFIE A DOUBLE ETAGE DE COMPRESSION ELECTRIFIED GAS COMPRESSOR WITH DOUBLE COMPRESSION STAGE
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne le domaine de la compression de gaz, notamment pour l’alimentation en air d’une pile à combustible ou d’un moteur à combustion interne. The present invention relates to the field of gas compression, in particular for supplying air to a fuel cell or an internal combustion engine.
De nombreux travaux sont consacrés actuellement au développement des piles à combustible en tant que sources d'énergie électrique pour l'alimentation, tant pour des applications stationnaires, que pour des applications embarquées, notamment pour des véhicules entraînés par des machines électriques. En effet, les avantages environnementaux des piles à combustible (rendements électrique et énergétique élevés, très faibles émissions de gaz nocifs, faible nuisance sonore, production localisée...) sont des atouts qui deviennent importants, en particulier pour le domaine du transport. Much work is currently devoted to the development of fuel cells as sources of electrical energy for power supply, both for stationary applications and for on-board applications, in particular for vehicles driven by electrical machines. Indeed, the environmental advantages of fuel cells (high electrical and energy yields, very low emissions of harmful gases, low noise pollution, localized production, etc.) are assets that are becoming important, in particular for the field of transport.
Une pile à combustible permet de transformer une énergie chimique en énergie électrique. Dans le cas d’une pile à combustible hydrogène/oxygène, la réaction chimique mise en œuvre est une combustion de l’hydrogène dans l’oxygène, dont la réaction peut s’écrire par l’équation :
Figure imgf000002_0001
A fuel cell transforms chemical energy into electrical energy. In the case of a hydrogen/oxygen fuel cell, the chemical reaction implemented is a combustion of hydrogen in oxygen, the reaction of which can be written by the equation:
Figure imgf000002_0001
Au sein d’une pile à combustible, l’oxydation électrochimique de l’hydrogène est réalisée au niveau d’une anode constituée d’un matériau catalytique conducteur, alors que la réduction électrochimique de l’oxygène se produit au niveau d’une cathode généralement constituée d’un même matériau catalytique. De plus, les compartiments anodique et cathodique sont séparés par un électrolyte permettant l’échange de protons ou d’ions. Within a fuel cell, the electrochemical oxidation of hydrogen is carried out at the level of an anode made of a conductive catalytic material, while the electrochemical reduction of oxygen occurs at the level of a cathode. generally made of the same catalytic material. In addition, the anodic and cathodic compartments are separated by an electrolyte allowing the exchange of protons or ions.
Pour les véhicules automobiles, les piles à combustible qui s'avèrent actuellement les plus prometteuses sont les piles dites à membrane échangeuse de protons, fonctionnant à partir d'une source d'hydrogène provenant soit d'une bouteille embarquée dans le véhicule, soit d’une unité produisant directement de l'hydrogène dans le véhicule. C'est ainsi que l'on peut produire directement de l'hydrogène en utilisant un reformeur fonctionnant avec un carburant approprié, tel que le méthanol, l'essence, le gazole, etc. Généralement l’admission en dioxygène est réalisée par une admission en air. Cette admission utilise généralement un compresseur d’air afin d’augmenter la quantité d’air introduite dans la pile à combustible. For motor vehicles, the fuel cells which currently prove to be the most promising are so-called proton exchange membrane cells, operating from a source of hydrogen coming either from a bottle on board the vehicle, or from a unit producing hydrogen directly in the vehicle. Thus, hydrogen can be produced directly using a reformer operating with an appropriate fuel, such as methanol, gasoline, diesel fuel, etc. Generally the oxygen admission is carried out by an air admission. This intake generally uses an air compressor to increase the amount of air introduced into the fuel cell.
Dans le domaine des moteurs à combustion, l’admission du moteur comprend souvent des moyens de suralimentation, qui comprennent un compresseur, qui peut prendre la forme d’un turbo compresseur. In the field of combustion engines, the engine intake often includes supercharging means, which include a compressor, which can take the form of a turbocharger.
Pour ces applications (ainsi que pour d’autres applications), il est souvent recherché d’avoir un taux de compression important, tout en limitant l’encombrement et la masse, en particulier pour les applications embarquées (par exemple une pile à combustible ou un moteur à combustion interne au sein d’un véhicule). For these applications (as well as for other applications), it is often desired to have a high compression ratio, while limiting bulk and mass, in particular for on-board applications (for example a fuel cell or an internal combustion engine within a vehicle).
Technique antérieure Prior technique
Pour obtenir un taux de compression élevé, une première solution technique peut être d’utiliser une unique roue de compression, toutefois une telle roue de compression doit avoir une dimension radiale importante, ce qui augmente son encombrement et sa masse, ce qui rend complexe son utilisation dans une application embarquée. De plus, une telle conception nécessite une vitesse de rotation élevée, ce qui impose des contraintes fortes au niveau de l’entraînement (par exemple au niveau de la machine électrique) et au niveau des paliers assurant la rotation de l’arbre du compresseur. To obtain a high compression ratio, a first technical solution may be to use a single compression wheel, however such a compression wheel must have a large radial dimension, which increases its bulk and its mass, which makes its use in an embedded application. In addition, such a design requires a high rotation speed, which imposes strong constraints on the drive level (for example on the level of the electric machine) and on the level of the bearings ensuring the rotation of the compressor shaft.
Pour répondre à cette problématique d’encombrement, il a été développé des compresseurs électrifiés à deux étages de compression. To respond to this problem of size, electrified compressors with two compression stages have been developed.
Par exemple, les demandes de brevet RU157678, RU157236, RU143266, JP2004332666 et W00017524 concernent des compresseurs électrifiés à deux étages de compression, dans lesquels la machine électrique est agencée entre les deux roues de compression. Cette conception nécessite un encombrement important entre les deux roues de compression, et génère des contraintes pour le refroidissement et la lubrification de la machine électrique. For example, patent applications RU157678, RU157236, RU143266, JP2004332666 and W00017524 relate to electrified compressors with two compression stages, in which the electric machine is arranged between the two compression wheels. This design requires a large space between the two compression wheels, and generates stresses for the cooling and lubrication of the electric machine.
Résumé de l’invention L’invention a pour but de comprimer un gaz avec un taux de compression élevé et en limitant l’encombrement du compresseur. Pour cela, la présente invention concerne un compresseur de gaz électrifié à double étage, pour lequel la machine électrique est placée dans le flux de gaz de la première roue de compression, et pour lequel la deuxième roue de compression est agencée en sens opposée au sens de la première roue de compression. L’utilisation de deux roues de compression permet d’assurer un taux de compression important et de limiter le poids du compresseur. Etant donné l’agencement de la machine électrique dans le flux de gaz, la machine électrique est incluse dans l’admission du compresseur, ce qui réduit son encombrement, de plus, l’encombrement entre les deux roues de compression est réduit. L’invention concerne un compresseur de gaz électrifié à double étage de compression comprenant une machine électrique, un arbre d’entraînement entraînée par ladite machine électrique, une première roue de compression montée sur ledit arbre d’entraînement, et une deuxième roue de compression montée sur ledit arbre de compression. Ladite machine électrique est agencée dans le flux de gaz alimentant en gaz ladite première roue de compression, et ladite deuxième roue de compression est agencée sur ledit arbre d’entraînement en sens opposé au sens de ladite première roue de compression. Summary of the invention The object of the invention is to compress a gas with a high compression ratio and by limiting the size of the compressor. For this, the present invention relates to a two-stage electrified gas compressor, for which the electric machine is placed in the gas flow of the first compression wheel, and for which the second compression wheel is arranged in the opposite direction to the direction of the first compression wheel. The use of two compression wheels ensures a high compression ratio and limits the weight of the compressor. Given the arrangement of the electric machine in the gas flow, the electric machine is included in the inlet of the compressor, which reduces its bulk, moreover, the bulk between the two compression wheels is reduced. The invention relates to an electrified gas compressor with two compression stages comprising an electric machine, a drive shaft driven by said electric machine, a first compression wheel mounted on said drive shaft, and a second compression wheel mounted on said compression shaft. Said electric machine is arranged in the gas flow supplying gas to said first compression wheel, and said second compression wheel is arranged on said drive shaft in the opposite direction to the direction of said first compression wheel.
Selon un mode de réalisation, ladite machine électrique comprend au moins une voie de passage du gaz à travers le stator de ladite machine électrique et/ou à travers l’entrefer de ladite machine électrique, ladite au moins une voie de passage du gaz alimentant en gaz ladite première roue de compression. According to one embodiment, said electric machine comprises at least one gas passageway through the stator of said electric machine and/or through the air gap of said electric machine, said at least one gas passageway supplying gas said first compression wheel.
Avantageusement, ladite machine électrique est une machine à grille statorique dans laquelle ladite au moins une voie de passage du gaz est située dans ledit stator de ladite machine électrique. Advantageously, said electric machine is a stator grid machine in which said at least one gas passageway is located in said stator of said electric machine.
Conformément à une mise en œuvre, ledit compresseur comprend une conduite qui relie la sortie de gaz de ladite première roue de compression à l’entrée de gaz de ladite deuxième roue de compression. According to one implementation, said compressor comprises a conduit which connects the gas outlet of said first compression wheel to the gas inlet of said second compression wheel.
De manière avantageuse, ladite conduite comprend un échangeur de chaleur. Advantageously, said conduit comprises a heat exchanger.
Selon un aspect, ledit compresseur comprend au moins un moyen de roulement agencé entre ladite première roue de compression et ladite deuxième roue de compression. According to one aspect, said compressor comprises at least one rolling means arranged between said first compression wheel and said second compression wheel.
De préférence, ledit moyen de roulement est choisi parmi un roulement à rouleaux, un roulement à billes, un palier à air ou un palier magnétique. Preferably, said rolling means is chosen from a roller bearing, a ball bearing, an air bearing or a magnetic bearing.
Selon une option de réalisation, ladite première roue de compression et ladite deuxième roue de compression ont une entrée de gaz axiale et une sortie de gaz radiale. Selon un aspect, ledit compresseur comprend une deuxième machine électrique agencée dans le flux de gaz alimentant en gaz ladite deuxième roue de compression. According to one embodiment option, said first compression wheel and said second compression wheel have an axial gas inlet and a radial gas outlet. According to one aspect, said compressor comprises a second electrical machine arranged in the gas flow supplying gas to said second compression wheel.
De plus, l’invention concerne un système de génération d’électricité comprenant une pile à combustible et un compresseur de gaz selon l’une des caractéristiques précédentes pour alimenter ladite pile à combustible en air comprimé. Furthermore, the invention relates to an electricity generation system comprising a fuel cell and a gas compressor according to one of the preceding characteristics for supplying said fuel cell with compressed air.
En outre, l’invention concerne un véhicule, notamment véhicule automobile, comprenant un système de génération d’électricité selon l’une des caractéristiques précédentes, et une machine électrique de traction pour le déplacement dudit véhicule, la machine électrique de traction étant alimentée par ledit système de génération d’électricité. Furthermore, the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, comprising a system for generating electricity according to one of the preceding characteristics, and an electric traction machine for moving said vehicle, the electric traction machine being powered by said power generation system.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Liste des figures Other characteristics and advantages of the device according to the invention will appear on reading the following description of non-limiting examples of embodiments, with reference to the appended figures and described below. List of Figures
La figure 1 illustre un compresseur de gaz selon un premier mode de réalisation de l’invention.Figure 1 illustrates a gas compressor according to a first embodiment of the invention.
La figure 2 illustre un compresseur de gaz selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Figure 2 illustrates a gas compressor according to a second embodiment of the invention.
La figure 3 est une section transversale d’une machine électrique à grille statorique pouvant être utilisée dans le compresseur selon un mode de réalisation de l’invention. Figure 3 is a cross section of a stator grid electric machine that can be used in the compressor according to one embodiment of the invention.
La figure 4 est une section longitudinale d’une machine électrique à grand entrefer pouvant être utilisée dans le compresseur selon un mode de réalisation de l’invention. Figure 4 is a longitudinal section of a large air gap electric machine that can be used in the compressor according to one embodiment of the invention.
La figure 5 est une vue en coupe d’un compresseur selon un mode de réalisation de l’invention.Figure 5 is a sectional view of a compressor according to one embodiment of the invention.
La figure 6 illustre un compresseur selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Figure 6 illustrates a compressor according to a third embodiment of the invention.
Description des modes de réalisation Description of embodiments
La présente invention concerne un compresseur de gaz. Selon l’invention, le compresseur est électrifié. En d’autres termes, le compresseur est entraîné par au moins une machine électrique. De plus, le compresseur est à double étage. Autrement dit, le compresseur comprend deux étages de compression, de manière à comprimer successivement le gaz, permettant d’obtenir une compression de gaz importante à une vitesse de rotation limitée.The present invention relates to a gas compressor. According to the invention, the compressor is electrified. In other words, the compressor is driven by at least one electric machine. In addition, the compressor is two-stage. In other words, the compressor comprises two compression stages, so as to successively compress the gas, making it possible to obtain significant gas compression at a limited rotational speed.
Ainsi, le compresseur selon l’invention comprend : Thus, the compressor according to the invention comprises:
Au moins une machine électrique, At least one electric machine,
Un arbre d’entraînement entraîné par la machine électrique, A drive shaft driven by the electric machine,
Une première roue de compression montée sur l’arbre de compression, et Une deuxième roue de compression montée sur l’arbre de compression.A first compression wheel mounted on the compression shaft, and A second compression wheel mounted on the compression shaft.
La notion de première roue de compression et de deuxième roue de compression est considérée dans l’ordre des roues de compression dans lesquelles le gaz circule. Autrement dit, au sein du compresseur, le gaz est comprimé dans un premier temps dans la première roue de compression, et dans un deuxième temps dans la deuxième roue de compression.The notion of first compression wheel and second compression wheel is considered in the order of the compression wheels in which the gas circulates. In other words, within the compressor, the gas is compressed first in the first compression wheel, and in a second time in the second compression wheel.
Selon l’invention, la machine électrique est agencée dans le flux de gaz alimentant la première roue de compression. En d’autres termes, la machine électrique est agencée à l’entrée de la première roue de compression, le flux de gaz traversant la machine électrique avant d’entrer dans la première roue de compression. Ainsi, la machine électrique est incluse dans l’admission du compresseur, ce qui réduit l’encombrement du compresseur, de plus, l’encombrement entre les deux roues de compression est réduit (il n’y a aucune machine électrique agencée entre les deux roues de compresseur). Avantageusement, la totalité du gaz qui entre dans la première roue de compression traverse la machine électrique. Pour cette réalisation, aucun gaz ne circule autour de la machine électrique. En outre, le rotor de la machine électrique peut être en contact avec une extrémité de la première roue de compression pour limiter l’encombrement, en réduisant la distance entre la machine électrique et la première roue de compression. According to the invention, the electric machine is arranged in the flow of gas supplying the first compression wheel. In other words, the electric machine is arranged at the inlet of the first compression wheel, the gas flow passing through the electric machine before entering the first compression wheel. Thus, the electric machine is included in the intake of the compressor, which reduces the bulk of the compressor, moreover, the bulk between the two compression wheels is reduced (there is no electric machine arranged between the two compressor wheels). Advantageously, all of the gas which enters the first compression wheel passes through the electric machine. For this embodiment, no gas circulates around the electrical machine. In addition, the rotor of the electric machine can be in contact with one end of the first compression wheel to limit the size, by reducing the distance between the electric machine and the first compression wheel.
De plus, la deuxième roue de compression est agencée sur l’arbre d’entraînement en sens opposé au sens de la première roue de compression. En d’autres termes, les deux roues de compression sont montées dos à dos : les faces des roues de compression comprenant les sorties des roues de compression se font face. Cette disposition des deux roues de compression permet un équilibrage des efforts, et une implémentation simplifiée du compresseur. In addition, the second compression wheel is arranged on the drive shaft in the opposite direction to the direction of the first compression wheel. In other words, the two compression wheels are mounted back to back: the faces of the compression wheels including the outlets of the compression wheels face each other. This arrangement of the two compression wheels allows a balancing of the forces, and a simplified implementation of the compressor.
De préférence, la première roue de compression et la deuxième roue de compression peuvent être des roues centrifuges. Preferably, the first compression wheel and the second compression wheel can be centrifugal wheels.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, la première roue de compression et la deuxième roue de compression peuvent être des roues de compression ayant une entrée axiale et une sortie radiale. Cette conception favorise l’implémentation des roues de compression. Pour cette mise en œuvre, étant donné le montage inversé des deux roues de compression, l’entrée de la première roue de compression est orientée vers la machine électrique, alors que l’entrée de la deuxième roue de compression est orientée vers l’autre extrémité de l’arbre d’entraînement. En variante, les deux roues de compression peuvent être de différent type. In accordance with one implementation of the invention, the first compression wheel and the second compression wheel may be compression wheels having an inlet axial and a radial outlet. This design favors the implementation of compression wheels. For this implementation, given the inverted assembly of the two compression wheels, the input of the first compression wheel is oriented towards the electrical machine, while the input of the second compression wheel is oriented towards the other. end of the drive shaft. As a variant, the two compression wheels can be of different types.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la machine électrique peut comprendre au moins une voie de passage de gaz au travers de la machine électrique. Par exemple, cette au moins une voie de passage du gaz peut être située dans le stator de la machine électrique, et/ou être située dans l’entrefer de la machine électrique. Cette voie de passage du gaz permet l’admission de gaz dans la première roue de compression. According to one embodiment of the invention, the electric machine may comprise at least one gas passageway through the electric machine. For example, this at least one gas passageway can be located in the stator of the electric machine, and/or be located in the air gap of the electric machine. This gas passageway allows the admission of gas into the first compression wheel.
De préférence, la machine électrique peut être une machine électrique à grille statorique. Pour ce type de machine électrique, la voie de passage de gaz est située dans le stator de la machine électrique. Un exemple d’une telle machine électrique est décrit notamment dans la demande de brevet FR 3041831 (US 2018-0269744). Une telle machine électrique comprend un rotor et un stator. Le rotor peut comprendre au moins un aimant permanent. Le stator comprend une couronne externe, et des dents statoriques radiales dirigées vers le rotor. Entre les dents statoriques est délimité un volume dans lequel des bobines (pour générer un flux magnétique) sont montées, et dans lequel les voies de passage de gaz sont formées. Les bobines sont positionnées à proximité de la couronne du stator et éloignées du rotor. Les voies de passage de gaz sont délimitées par les dents statoriques et les bobines. Ces voies de passage de gaz sont de préférence de grandes dimensions pour limiter les pertes de charge dans le flux de gaz. Dans ce but, la surface de la section des voies de passage du gaz peut être au moins similaire à la surface de la section des bobines. Par exemple, la section des voies de passage peut avoir sensiblement une forme triangulaire. Ce type de machine électrique permet de meilleures performances magnétiques par rapport aux machines électriques à grand entrefer, pour une masse limitée. De plus, le passage du gaz permet de refroidir les bobines du stator, ce qui permet d’utiliser une machine électrique sans système de refroidissement ou avec un système de refroidissement simplifié. Preferably, the electric machine can be a stator grid electric machine. For this type of electric machine, the gas passageway is located in the stator of the electric machine. An example of such an electric machine is described in particular in patent application FR 3041831 (US 2018-0269744). Such an electric machine comprises a rotor and a stator. The rotor may include at least one permanent magnet. The stator comprises an outer crown, and radial stator teeth directed towards the rotor. Between the stator teeth is delimited a volume in which coils (to generate a magnetic flux) are mounted, and in which the gas passageways are formed. The coils are positioned close to the crown of the stator and away from the rotor. The gas passageways are delimited by the stator teeth and the coils. These gas passageways are preferably large in size to limit pressure drops in the gas flow. For this purpose, the cross-sectional area of the gas passageways may be at least similar to the cross-sectional area of the coils. For example, the section of the passageways can have substantially a triangular shape. This type of electric machine allows better magnetic performance compared to electric machines with a large air gap, for a limited mass. In addition, the passage of gas makes it possible to cool the coils of the stator, which makes it possible to use an electric machine without a cooling system or with a simplified cooling system.
En variante, la machine électrique peut être une machine électrique du type à grand Airgap (grand entrefer). Pour ce type de machine, l’entrefer, c’est-à-dire l’espace entre le rotor et le stator, est de grande dimension, de manière à laisser passer le flux de gaz. Afin de réaliser les deux compressions successives, le compresseur peut comprendre en outre une conduite qui relie la sortie de la première roue de compression à l’entrée de la deuxième roue de compression. Pour le mode de réalisation pour laquelle les deux roues de compression ont une entrée axiale et une sortie radiale, la conduite a une première portion radiale (par rapport à la première roue de compression), et une dernière portion axiale (par rapport à la deuxième roue de compression). As a variant, the electric machine can be an electric machine of the large Airgap (large air gap) type. For this type of machine, the air gap, that is to say the space between the rotor and the stator, is large, so as to allow the flow of gas to pass. In order to perform the two successive compressions, the compressor may further comprise a pipe which connects the outlet of the first compression wheel to the inlet of the second compression wheel. For the embodiment for which the two compression wheels have an axial inlet and a radial outlet, the pipe has a first radial portion (relative to the first compression wheel), and a last axial portion (relative to the second compression wheel).
Selon une option de cette réalisation de l’invention, la conduite qui relie les deux roues de compression peut comprendre un échangeur de chaleur. L’échangeur de chaleur peut permettre de diminuer la température du gaz avant l’entrée dans la deuxième roue de compression, et ainsi améliorer la performance de la compression. En effet, il est plus facile de comprimer un fluide froid qu’un fluide chaud. Cette option de réalisation de l’invention est particulièrement adaptée pour l’utilisation du compresseur pour une pile à combustible, pour laquelle la température du gaz (air) doit être limitée pour protéger les composants pile à combustible. L’échangeur de chaleur peut être un échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur d’un circuit de refroidissement, le fluide caloporteur peut comporter de l’eau ou tout fluide analogue. According to an option of this embodiment of the invention, the pipe which connects the two compression wheels can comprise a heat exchanger. The heat exchanger can make it possible to reduce the temperature of the gas before entering the second compression wheel, and thus improve the performance of the compression. Indeed, it is easier to compress a cold fluid than a hot fluid. This embodiment option of the invention is particularly suitable for the use of the compressor for a fuel cell, for which the temperature of the gas (air) must be limited to protect the fuel cell components. The heat exchanger can be a heat exchanger with a coolant from a cooling circuit, the coolant can comprise water or any similar fluid.
Afin de réaliser le guidage en rotation de l’arbre d’entraînement par rapport à un carter, le compresseur peut comprendre au moins un moyen de roulement. Le moyen de roulement peut, de préférence, être agencé entre la première roue de compression et la deuxième roue de compression. De manière avantageuse, le compresseur peut comprendre deux moyens de roulement, les deux moyens de roulement étant agencés entre la première roue de compression et la deuxième roue de compression, un à proximité de la première roue de compression, et un à proximité de la deuxième roue de compression. Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, le compresseur peut comporter successivement, le long de l’arbre d’entraînement, la machine électrique, la première roue de compression, au moins un moyen de roulement, et la deuxième roue de compression. In order to achieve the rotational guidance of the drive shaft relative to a casing, the compressor may comprise at least one rolling means. The rolling means can preferably be arranged between the first compression wheel and the second compression wheel. Advantageously, the compressor may comprise two rolling means, the two rolling means being arranged between the first compression wheel and the second compression wheel, one close to the first compression wheel, and one close to the second compression wheel. Thus, according to a preferred embodiment, the compressor may comprise successively, along the drive shaft, the electric machine, the first compression wheel, at least one rolling means, and the second compression wheel.
En raison de la vitesse de rotation limitée de l’arbre d’entraînement, le moyen de roulement peut être un palier, un roulement à rouleaux, un roulement à billes, un palier à air, un palier magnétique, ou tout moyen analogue. Ces moyens de roulement, en particulier les moyens de roulement sans frottement (billes, à air, magnétiques) permettent de simplifier le système de lubrification et de limiter les fuites de lubrification, qui peuvent polluer le gaz comprimé, de telle fuites pouvant être particulièrement problématiques pour une application du compresseur pour une pile à combustible. Le cas échéant, les hydrocarbures présents dans les moyens de lubrifications peuvent générer une détérioration de la membrane échangeuse de protons de la pile à combustible. Due to the limited rotational speed of the drive shaft, the rolling means may be a bearing, a roller bearing, a ball bearing, an air bearing, a magnetic bearing, or any similar means. These rolling means, in particular the frictionless rolling means (balls, air, magnetic) make it possible to simplify the lubrication system and to limit lubrication leaks, which can pollute the compressed gas, such leaks possibly being particularly problematic. for a compressor application for a fuel cell. Where appropriate, the hydrocarbons present in the means of Lubrications can cause damage to the proton exchange membrane of the fuel cell.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, le compresseur peut comprendre une deuxième machine électrique. La deuxième machine électrique peut être agencée dans le flux de gaz alimentant en gaz ladite deuxième roue de compression. Dans ce cas, le gaz circule successivement dans la première machine électrique, la première roue de compression, la deuxième machine électrique et la deuxième roue de compression. Cette réalisation permet d’augmenter la puissance disponible, et assure la redondance en cas de défaillance d’une des machines électriques. According to one implementation of the invention, the compressor may comprise a second electric machine. The second electric machine can be arranged in the gas flow supplying gas to said second compression wheel. In this case, the gas circulates successively in the first electric machine, the first compression wheel, the second electric machine and the second compression wheel. This realization makes it possible to increase the available power, and ensures redundancy in the event of failure of one of the electrical machines.
Pour cette mise en œuvre, la deuxième machine électrique peut être identique (même typologie, même dimension) à la première machine électrique agencée dans le flux de gaz alimentant la première roue de compression. Ainsi, le compresseur peut être symétrique.For this implementation, the second electric machine can be identical (same type, same size) to the first electric machine arranged in the flow of gas supplying the first compression wheel. Thus, the compressor can be symmetrical.
De préférence, la deuxième machine électrique peut être une machine à grille statorique, dans laquelle le gaz traverse le stator. En variante, la deuxième machine électrique peut être une machine à grand entrefer. Preferably, the second electrical machine can be a stator grid machine, in which the gas passes through the stator. As a variant, the second electric machine can be a machine with a large air gap.
Lorsque le compresseur comprend une conduite, la conduite relie la sortie de la première roue de compression à l’entrée de la deuxième machine électrique, l’entrée de la deuxième machine électrique étant considéré dans le sens de circulation du gaz. When the compressor comprises a pipe, the pipe connects the outlet of the first compression wheel to the inlet of the second electric machine, the inlet of the second electric machine being considered in the direction of gas flow.
La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un compresseur de gaz électrifié à double étage de compression selon un premier mode de réalisation de l’invention. Le compresseur 1 comprend une machine électrique 2 qui entraîne un arbre d’entraînement 5. Une première roue de compression 3 est montée sur l’arbre d’entraînement 5. Une deuxième roue de compression 4 est montée sur l’arbre d’entraînement 5. La deuxième roue de compression 4 est agencée dans le sens opposé du sens de la première roue de compression 3. Le compresseur 1 comprend en outre deux paliers 6 pour le guidage en rotation de l’arbre d’entraînement 2. De plus, le compresseur 1 comporte une conduite 7 qui relie la sortie 10 radiale de la première roue de compression 3 à l’entrée 11 axiale de la deuxième roue de compression 4. Figure 1 illustrates, schematically and in a non-limiting way, an electrified gas compressor with two compression stages according to a first embodiment of the invention. The compressor 1 comprises an electric machine 2 which drives a drive shaft 5. A first compression wheel 3 is mounted on the drive shaft 5. A second compression wheel 4 is mounted on the drive shaft 5 The second compression wheel 4 is arranged in the opposite direction to the direction of the first compression wheel 3. The compressor 1 further comprises two bearings 6 for guiding the drive shaft 2 in rotation. compressor 1 comprises a pipe 7 which connects the radial outlet 10 of the first compression wheel 3 to the axial inlet 11 of the second compression wheel 4.
Sur cette figure, les flèches illustrent la circulation du gaz à comprimer par le compresseur. Un gaz à comprimer 8, par exemple de l’air, traverse la machine électrique 2 au travers d’au moins une voie de passage du gaz 9. Ensuite, le gaz traverse la première roue de compression 3 pour ressortir par la sortie 10 de la première roue de compression 3. Le gaz comprimé traverse la conduite 7 pour arriver à l’entrée 11 de la deuxième roue de compression 4. Le gaz comprimé ressort de la deuxième roue de compression 4 par la sortie 12 de la deuxième roue de compression 4. In this figure, the arrows illustrate the circulation of the gas to be compressed by the compressor. A gas to be compressed 8, for example air, passes through the electric machine 2 through at least one gas passageway 9. Then, the gas passes through the first compression wheel 3 to come out through the outlet 10 of the first compression wheel 3. The compressed gas passes through the pipe 7 to arrive at the inlet 11 of the second compression wheel 4. The compressed gas leaves the second compression wheel 4 through the outlet 12 of the second compression wheel 4.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un compresseur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Les éléments identiques au premier mode de réalisation de la figure 1 ne sont pas décrits une nouvelle fois. Pour ce mode de réalisation, la conduite 7 comprend en outre un échangeur de chaleur 13. De préférence, l’échangeur de chaleur 13 échange de la chaleur entre le gaz comprimé en sortie de la première roue de compression 3 et un fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie de l’échangeur de chaleur 13, le gaz comprimé ressort refroidi avant la deuxième compression. Figure 2 illustrates, schematically and in a non-limiting way, a compressor according to a second embodiment of the invention. The elements identical to the first embodiment of FIG. 1 are not described again. For this embodiment, the pipe 7 further comprises a heat exchanger 13. Preferably, the heat exchanger 13 exchanges heat between the compressed gas at the outlet of the first compression wheel 3 and a cooling fluid. Thus, at the outlet of the heat exchanger 13, the compressed gas comes out cooled before the second compression.
La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique à grille statorique, telle que décrite dans la demande de brevet FR 3041831 (US 2018-0269744). La figure 3 est une vue en coupe dans un plan transversal à l’axe du rotor et du stator. La machine électrique 2 comprend un rotor 17 et un stator 14. Un entrefer E est prévu entre le rotor 17 et le stator 14. Cet entrefer E est de dimension limitée (par exemple de l’ordre de 0,5 mm) pour améliorer les performances magnétiques de la machine électrique. Le stator 14 de la machine électrique comprend une couronne 20, depuis laquelle part une pluralité de dents statoriques 18. Les dents statoriques 18 sont radiales. Un volume 16 est formé par les dents statoriques 18 et la couronne 20. Au sein du volume 16 sont agencées les bobines 19 qui génèrent un flux magnétique. Les bobines 19 sont agencées à proximité de la couronne 20 et sont éloignées du rotor 17. De plus, des voies de passage du gaz 15 sont formées dans ces volumes 16. Les voies de passage du gaz 15 sont délimitées par les dents statoriques 18 et par les bobines 19. Ces voies de passage du gaz 15 ont sensiblement une section triangulaire. De plus, la surface de la section des voies de passage du gaz 15 est au moins similaire à la surface de la section des bobines 19. Ainsi, la quasi-totalité du gaz alimentant la première roue de compression du compresseur traverse le stator dans les voies de passage du gaz 15.Figure 3 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electric machine with a stator grid, as described in patent application FR 3041831 (US 2018-0269744). Figure 3 is a sectional view in a plane transverse to the axis of the rotor and the stator. The electric machine 2 comprises a rotor 17 and a stator 14. An air gap E is provided between the rotor 17 and the stator 14. This air gap E is of limited size (for example of the order of 0.5 mm) to improve the magnetic performance of the electric machine. The stator 14 of the electric machine comprises a crown 20, from which a plurality of stator teeth 18 start. The stator teeth 18 are radial. A volume 16 is formed by the stator teeth 18 and the crown 20. Within the volume 16 are arranged the coils 19 which generate a magnetic flux. The coils 19 are arranged close to the crown 20 and are remote from the rotor 17. In addition, gas passageways 15 are formed in these volumes 16. The gas passageways 15 are delimited by the stator teeth 18 and by the coils 19. These gas passageways 15 have substantially a triangular section. In addition, the area of the section of the gas passageways 15 is at least similar to the area of the section of the coils 19. Thus, almost all of the gas supplying the first compression wheel of the compressor passes through the stator in the gas pathways 15.
La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique à grand entrefer. La figure 4 est une vue en coupe dans le plan longitudinal à l’axe du rotor et du stator. La machine électrique 2 comprend un rotor 17 et un stator 14. Un entrefer E est prévu entre le rotor 17 et le stator 14. Cet entrefer est de dimension importante (de l’ordre de quelques mm, voire du quelques cm), de manière à former une voie de passage annulaire 9 autour du rotor 17. Ainsi, la quasi-totalité du gaz alimentant la première roue de compression du compresseur traverse la machine électrique dans l’entrefer E. Figure 4 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electrical machine with a large air gap. Figure 4 is a sectional view in the longitudinal plane to the axis of the rotor and the stator. The electric machine 2 comprises a rotor 17 and a stator 14. An air gap E is provided between the rotor 17 and the stator 14. This air gap is of large size (of the order of a few mm, or even a few cm), so to form an annular passageway 9 around the rotor 17. Thus, almost all of the gas supplying the first compression wheel of the compressor passes through the electrical machine in the air gap E.
La figure 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un compresseur selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale du compresseur électrifié à double étage de compression. Sur cette figure, le stator de la machine électrique, et le carter ne sont pas représentés. A une extrémité de l’arbre d’entraînement 9 est monté fixement le rotor 17. Pour l’exemple représenté, le rotor 17 comprend un aimant permanent 21 et une frette amagnétique 22. D’autres variantes de réalisation du rotor peuvent être envisagées. A proximité du rotor 17, une première roue de compression 3 est montée sur l’arbre d’entraînement 9. A l’autre extrémité de l’arbre de compression 9 est montée une deuxième roue de compression 4. Entre les deux roues de compressions 3 et 4, il est prévu un premier support de palier 24 pour le montage d’un moyen de roulement pour le guidage en rotation dans un carter. Le moyen de roulement comprend le support de palier sous la forme d’une entretoise 24 et une bague 27, ainsi que des éléments de roulement tels que des billes (non représentées). L’entretoise 24 est en appui sur l’épaulement 25 de l’arbre d’entraînement 9. La bague 27 est prévue avec des moyens de lubrification des moyens de roulement. En outre, des moyens de retenue, tel qu’un écrou 23 peut être prévu à la deuxième extrémité de l’arbre d’entraînement 9. L’écrou 23 permet le montage et le maintien en position de la deuxième roue de compression 4. Figure 5 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a compressor according to one embodiment of the invention. Figure 5 is a longitudinal sectional view of the electrified compressor with two compression stages. In this figure, the stator of the electric machine, and the casing are not represented. At one end of the drive shaft 9 is fixedly mounted the rotor 17. For the example shown, the rotor 17 comprises a permanent magnet 21 and a non-magnetic hoop 22. Other embodiment variants of the rotor can be envisaged. Near the rotor 17, a first compression wheel 3 is mounted on the drive shaft 9. At the other end of the compression shaft 9 is mounted a second compression wheel 4. Between the two compression wheels 3 and 4, there is provided a first bearing support 24 for mounting a rolling means for guiding in rotation in a housing. The rolling means comprises the bearing support in the form of a spacer 24 and a ring 27, as well as rolling elements such as balls (not shown). The spacer 24 bears against the shoulder 25 of the drive shaft 9. The ring 27 is provided with means for lubricating the rolling means. In addition, retaining means, such as a nut 23 can be provided at the second end of the drive shaft 9. The nut 23 allows the mounting and holding in position of the second compression wheel 4.
La figure 6 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un compresseur selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Les éléments identiques au premier mode de réalisation de la figure 1 ne sont pas décrits une nouvelle fois. Pour ce mode de réalisation, le compresseur comprend une deuxième machine électrique 2’. La deuxième machine électrique 2’ est agencée dans le flux de gaz de la deuxième roue de compression 4. La deuxième machine électrique 2’ comprend au moins une voie de passage du gaz 9’, qui permet de diriger le gaz en sortie de la conduite 7 vers la deuxième roue de compression 4. Ce mode de réalisation peut également comprendre un échangeur de chaleur (non représenté) sur la conduite 7. Figure 6 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a compressor according to a third embodiment of the invention. The elements identical to the first embodiment of FIG. 1 are not described again. For this embodiment, the compressor comprises a second electric machine 2′. The second electric machine 2' is arranged in the flow of gas from the second compression wheel 4. The second electric machine 2' comprises at least one gas passageway 9', which makes it possible to direct the gas at the outlet of the pipe 7 to the second compression wheel 4. This embodiment may also include a heat exchanger (not shown) on line 7.
En outre, l’invention concerne un système de génération d’électricité. Le système de génération d’électricité comprend au moins une pile à combustible et un compresseur selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes telles que décrites précédemment. Le compresseur génère de l’air comprimé pour l’admission d’oxygène de la pile à combustible. En effet, le compresseur selon l’invention est particulièrement adapté à la compression d’air pour une pile à combustible, notamment en termes de taux de compression et de température de l’air. Furthermore, the invention relates to an electricity generation system. The electricity generation system comprises at least one fuel cell and one compressor according to any one of the variants or combinations of variants as described previously. The compressor generates compressed air for the oxygen intake of the fuel cell. Indeed, the compressor according to the invention is particularly suitable for the air compression for a fuel cell, in particular in terms of compression ratio and air temperature.
De préférence, la pile à combustible peut être une pile à combustible basse température, par exemple une pile à combustible du type à membrane polymère échangeuse de protons (PEMFC de l’anglais « Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell »). Ce type de pile à combustible est actuellement la plus adaptée à des applications mobiles, en raison notamment de son coût. Alternativement, la pile à combustible peut être une pile à combustible haute température, par exemple SOFC de l’anglais « Solid Oxide Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à oxyde solide ou MCFC de l’anglais « Molten Carbonate Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à carbonate fondu. Preferably, the fuel cell can be a low-temperature fuel cell, for example a fuel cell of the proton-exchange polymer membrane (PEMFC) type. This type of fuel cell is currently the most suitable for mobile applications, in particular because of its cost. Alternatively, the fuel cell can be a high temperature fuel cell, for example SOFC from the English “Solid Oxide Fuel Cell” which can be translated as solid oxide fuel cell or MCFC from the English “Molten Carbonate Fuel Cell”. which can be translated as molten carbonate fuel cell.
Alternativement, l’invention concerne également un moteur à combustion interne pourvu d’un compresseur selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes telles que décrites précédemment. Le compresseur génère de l’air comprimé pour l’admission d’air dans les cylindres du moteur à combustion interne. Alternatively, the invention also relates to an internal combustion engine provided with a compressor according to any one of the variants or combinations of variants as described previously. The compressor generates compressed air for the air intake into the cylinders of the internal combustion engine.
De plus, l’invention concerne un véhicule, notamment un véhicule routier automobile ou poids lourd (ou également un car, un bateau, un avion, un aéroglisseur, un véhicule amphibie, etc.), comprenant une pile à combustible alimentant au moins une machine électrique, et un compresseur selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites ci-dessus. De préférence, la pile à combustible peut être une pile à combustible basse température, par exemple une pile à combustible du type à membrane polymère échangeuse de protons (PEMFC de l’anglais « Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell»). Ce type de pile à combustible est actuellement la plus adaptée à des applications mobiles, en raison notamment de son coût. Alternativement, la pile à combustible peut être une pile à combustible haute température, par exemple SOFC de l’anglais « Solid Oxide Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à oxyde solide ou MCFC de l’anglais « Molten Carbonate Fuel Cell » pouvant être traduit par pile à combustible à carbonate fondu. Furthermore, the invention relates to a vehicle, in particular an automobile road vehicle or heavy goods vehicle (or also a bus, a boat, an airplane, a hovercraft, an amphibious vehicle, etc.), comprising a fuel cell supplying at least one electric machine, and a compressor according to any one of the variants or combinations of variants described above. Preferably, the fuel cell can be a low-temperature fuel cell, for example a fuel cell of the proton-exchange polymer membrane (PEMFC) type. This type of fuel cell is currently the most suitable for mobile applications, in particular because of its cost. Alternatively, the fuel cell can be a high temperature fuel cell, for example SOFC from the English “Solid Oxide Fuel Cell” which can be translated as solid oxide fuel cell or MCFC from the English “Molten Carbonate Fuel Cell”. which can be translated as molten carbonate fuel cell.
En variante, l’invention concerne un véhicule, notamment un véhicule routier automobile ou poids lourd (ou également un car, un bateau, un avion, un aéroglisseur, un véhicule amphibie, etc.), comprenant un moteur à combustion interne pourvu d’un compresseur selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes telles que décrites précédemment. Alternatively, the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle or heavy goods vehicle (or also a coach, a boat, an airplane, a hovercraft, an amphibious vehicle, etc.), comprising an internal combustion engine provided with a compressor according to one any of the variants or combinations of variants as described previously.
Alternativement, l’invention concerne également une pile à combustible ou un moteur à combustion interne pour un système stationnaire, la pile à combustible ou le moteur à combustion interne étant équipé d’un compresseur selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes. Alternatively, the invention also relates to a fuel cell or an internal combustion engine for a stationary system, the fuel cell or the internal combustion engine being equipped with a compressor according to any one of the preceding characteristics.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation du compresseur décrites ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. It goes without saying that the invention is not limited solely to the embodiments of the compressor described above by way of example, on the contrary it encompasses all variant embodiments.

Claims

Revendications Claims
1. Compresseur de gaz électrifié à double étage de compression comprenant une machine électrique (2), un arbre d’entraînement (5) entraîné par ladite machine électrique (2), une première roue de compression (3) montée sur ledit arbre d’entraînement (5), et une deuxième roue de compression (4) montée sur ledit arbre d’entraînement (5), caractérisé en ce que ladite machine électrique (2) est agencée dans le flux de gaz alimentant en gaz ladite première roue de compression (3), et en ce que ladite deuxième roue de compression (4) est agencée sur ledit arbre d’entraînement (5) en sens opposé au sens de ladite première roue de compression (3). 1. Electrified gas compressor with two compression stages comprising an electric machine (2), a drive shaft (5) driven by said electric machine (2), a first compression wheel (3) mounted on said drive (5), and a second compression wheel (4) mounted on said drive shaft (5), characterized in that said electric machine (2) is arranged in the gas flow supplying gas to said first compression wheel (3), and in that said second compression wheel (4) is arranged on said drive shaft (5) opposite to the direction of said first compression wheel (3).
2. Compresseur de gaz selon la revendication 1 , dans lequel ladite machine électrique (2) comprend au moins une voie de passage du gaz (9) à travers le stator de ladite machine électrique (2) et/ou à travers l’entrefer de ladite machine électrique (2), ladite au moins une voie de passage du gaz (9) alimentant en gaz ladite première roue de compression (3). 2. Gas compressor according to claim 1, wherein said electrical machine (2) comprises at least one gas passageway (9) through the stator of said electrical machine (2) and / or through the air gap of said electric machine (2), said at least one gas passageway (9) supplying gas to said first compression wheel (3).
3. Compresseur de gaz selon la revendication 2, dans lequel ladite machine électrique (2) est une machine à grille statorique dans laquelle ladite au moins une voie de passage du gaz (9) est située dans ledit stator de ladite machine électrique. 3. Gas compressor according to claim 2, wherein said electric machine (2) is a stator grid machine in which said at least one gas passageway (9) is located in said stator of said electric machine.
4. Compresseur de gaz selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit compresseur (1 ) comprend une conduite (7) qui relie la sortie de gaz de ladite première roue de compression (3) à l’entrée de gaz de ladite deuxième roue de compression (4). 4. Gas compressor according to one of the preceding claims, wherein said compressor (1) comprises a pipe (7) which connects the gas outlet of said first compression wheel (3) to the gas inlet of said second compression wheel (4).
5. Compresseur de gaz selon la revendication 4, dans lequel ladite conduite (7) comprend un échangeur de chaleur (13). 5. A gas compressor according to claim 4, wherein said conduit (7) comprises a heat exchanger (13).
6. Compresseur de gaz selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit compresseur (1) comprend au moins un moyen de roulement (6) agencé entre ladite première roue de compression (3) et ladite deuxième roue de compression (4). 6. Gas compressor according to one of the preceding claims, wherein said compressor (1) comprises at least one bearing means (6) arranged between said first compression wheel (3) and said second compression wheel (4).
7. Compresseur de gaz selon la revendication 6, dans lequel ledit moyen de roulement (6) est choisi parmi un roulement à rouleaux, un roulement à billes, un palier à air ou un palier magnétique. 7. A gas compressor according to claim 6, wherein said bearing means (6) is selected from a roller bearing, a ball bearing, an air bearing or a magnetic bearing.
8. Compresseur de gaz selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite première roue de compression (3) et ladite deuxième roue de compression (4) ont une entrée de gaz axiale et une sortie de gaz radiale. 8. Gas compressor according to one of the preceding claims, wherein said first compression wheel (3) and said second compression wheel (4) have an axial gas inlet and a radial gas outlet.
9. Compresseur de gaz selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit compresseur (1 ) comprend une deuxième machine électrique (2’) agencée dans le flux de gaz alimentant en gaz ladite deuxième roue de compression (4). 9. Gas compressor according to one of the preceding claims, wherein said compressor (1) comprises a second electric machine (2 ') arranged in the gas flow supplying gas to said second compression wheel (4).
10. Système de génération d’électricité comprenant une pile à combustible et un compresseur de gaz (1 ) selon l’une des revendications précédentes pour alimenter ladite pile à combustible en air comprimé. 10. Electricity generation system comprising a fuel cell and a gas compressor (1) according to one of the preceding claims for supplying said fuel cell with compressed air.
11. Véhicule, notamment véhicule automobile, comprenant un système de génération d’électricité selon la revendication 10, et une machine électrique de traction pour le déplacement dudit véhicule, la machine électrique de traction étant alimentée par ledit système de génération d’électricité. 11. Vehicle, in particular motor vehicle, comprising an electricity generation system according to claim 10, and an electric traction machine for moving said vehicle, the electric traction machine being powered by said electricity generation system.
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