用于燃料電池的空氣給送裝置制造方法
【專利摘要】一種用于燃料電池的空氣給送裝置(1)，具有一個軸(2)；具有一個壓縮機葉輪(4)，該壓縮機葉輪被安排在一個壓縮機殼體(3)中并且被緊固至該軸(2)的這些末端(5，20)中的一個末端(5)上；具有一個軸承安排(6，7，8)，該軸承安排被安排在一個軸承殼體(9)中以用于安裝該軸(2)；并且具有用于驅動該軸(2)的一個電動機(10)，該電動機被安排在該軸承殼體(9)中；其中該軸(2)具有被形成為分開的部件的兩個軸支承部分(11，12)并且具有一個磁體部分(13)，該磁體部分被安排在這些軸支承部分(11，12)之間、形成了一個分開的部件并且形成了該電動機(10)的轉子，這些軸支承部分(11，12)和該磁體部分(13)支撐在彼此之上，并且其中這些軸支承部分(11，12)和該磁體部分(13)是通過一個定中心安排(12A，13F)而相對于彼此定中心的，該定中心安排接合在一個外邊緣(A)上，這些軸支承部分(11，12)和該磁體部分(13)在各自情況下軸向地支承在彼此之上。
【專利說明】用于燃料電池的空氣給送裝置
[0001]本發明涉及如權利要求1的前序部分的一種用于燃料電池的空氣給送裝置。
[0002]為了燃料電池的有效操作，必須一直對該燃料電池供應足量的空氣。為此目的，已知如權利要求1的前序部分的一種可商購的空氣給送裝置(落入現有技術之內)，該空氣給送裝置實現了通過安排在一個壓縮機殼體中并且由一個電動機驅動的壓縮機葉輪來給送空氣。
[0003]然而，由于這種已知的空氣給送裝置的結構設計，該空氣給送裝置具有的缺點是電動機可能以大致100，OOOrpm的最大轉速來驅動壓縮機葉輪。在此,在本發明的背景下進行的試驗顯示，這樣的轉速不能完全利用現代壓縮機葉輪和壓縮機殼體的潛力，而使得至少在一些使用狀況下，通過該已知的裝置不能確保、或至少不能在完全程度上確保對燃料電池的足夠空氣供應。
[0004]因此本發明的一個目的是提供一種權利要求1的前序部分中所指明類型的空氣給送裝置，該空氣給送裝置使之有可能實現高效率并且因此實現對燃料電池的大量空氣供應。此外，該空氣給送裝置應該被實現為一種盡可能緊湊的形式。
[0005]所述目的是通過權利要求1的這些特征來實現的。
[0006]由于根據本發明的空氣給送裝置的軸被分成三個部分(由兩個軸支承部分和形成電動機轉子的一個磁體部分形成，這些部分在完全組裝后的狀態下支撐在彼此之上)這一事實，有可能實現一種相對于現有技術而言更剛硬的軸構造，該軸構造特別地在與一種空氣軸承安排相結合時允許直至150，OOOrpm的壓縮機葉輪轉速。以此方式，根據本發明的空氣給送裝置有可能向燃料電池供應再次相對于現有技術而言高得多的空氣質量流速，其中根據本發明的空氣給送裝置的構造是更緊湊的且節約材料的。
[0007]多項從屬權利要求涉及本發明的多個有利優化。
[0008]允許根據本發明的空氣給送裝置的性能進一步提高并且將特別強調的這些優選措施包括該空氣軸承安排的構造，這種構造優選地具有位于電動機的兩側上的兩個徑向空氣軸承以及鄰近于壓縮機葉輪安排的一個軸向空氣軸承。
[0009]還有可能通過在該空氣給送裝置的軸上另外提供一個渦輪機葉輪而對也由燃料電池產生的廢空氣和/或廢熱進行利用，該渦輪機葉輪被安排在一個渦輪機殼體中，該渦輪機殼體優選地具備可變渦輪機幾何形狀(VTG)以便進一步提高該渦輪機的效率。
[0010]在此，壓縮機葉輪、壓縮機殼體、渦輪機葉輪和渦輪機殼體這些部件的大小和構造可以如常規排氣渦輪增壓器中那樣進行確定，這進而減少了根據本發明的空氣給送裝置的構造費用。
[0011]要強調的另外的優選特征包括一個冷卻裝置，在一個特別優選的實施例中，該冷卻裝置是由該軸承殼體的外側以及環繞所述外側的一個外包殼形成的，這些界定了一個冷卻劑內部，該冷卻劑內部優選地配備有多個流體引導元件并且可以向其中引人冷卻劑、優選是冷卻水。
[0012]為了能夠實現特別對該軸向軸承的特別有效的冷卻，在此有可能提供一個分開的軸向軸承冷卻部分，該部分可以例如被形成為一個凹入的冷卻劑環，該環被形成在該軸承殼體中并且被安排成鄰近于該軸向軸承。
[0013]從以下基于附圖的多個示例性實施例的說明中將顯現出本發明的進一步的細節、特征和優點，在附圖中:
[0014]圖1A、1B示出了穿過根據本發明的適合用于燃料電池并且也適合用于其他應用的空氣給送裝置、以及必須對其供應大量空氣的裝置的略微簡化的示意性縱向截面圖，
[0015]圖2以縱向截面示出了該空氣給送裝置的軸的一部分的詳細圖示，并且
[0016]圖3示出了用于根據本發明的空氣給送裝置的壓縮機殼體的擴散器的一個葉片環的透視圖示。
[0017]圖1A示出了根據本發明的空氣給送裝置1的一個優選實施例，通過該空氣給送裝置可以例如向一個燃料電池(在圖1A中未詳細展示)供應其有效工作所需要的空氣質量流速。
[0018]該空氣給送裝置1具有一個軸2，該軸沿著空氣給送裝置1的縱向軸線L延伸。
[0019]在軸2的一端5上緊固了 一個壓縮機葉輪4，該壓縮機葉輪被安排在一個壓縮機殼體3中。在此，壓縮機殼體3和壓縮機葉輪4可以具有與排氣渦輪增壓器的壓縮機相對應的設計。在所展示的實例中，為了緊固，提供了一種螺釘連接23，該螺釘連接具有一個螺紋銷釘23A，該螺紋銷釘延伸穿過壓縮機葉輪并且其一端被擰入一個軸支承部分12的內螺紋之中并且在其外端上擰接一個螺母23B，通過該螺母將壓縮機葉輪4緊固到該軸2上。
[0020]此外，該空氣給送裝置1具有一種軸承安排，在此實例中該軸承安排是處于帶有兩個徑向空氣軸承6和7以及一個軸向空氣軸承8的一種空氣軸承安排的形式。這些徑向空氣軸承6和7被安排在相關聯的軸支承部分11與上述軸支承部分12上。在軸支承部分11與12之間提供了一個磁體部分13，該磁體部分形成了一個電動機10的轉子，所述電動機還包括一個線圈14，該線圈形成了電動機10的定子并且它為此目的而環繞該磁體部分13并且被引導在一個軸承殼體9中。此外，提供了多個引導元件17和18，這些引導元件可以例如形成為特氟綸盤片，這些盤片支承在線圈14的相應端側15和16上并且固持這些空氣軸承6、7。此外，所述引導元件17和18相對于軸2發揮一種密封功能以便防止空氣流出。所述引導元件17和18最后用作緊急運轉軸承。
[0021]代替上述空氣軸承安排，也基本可想到其他軸承安排，例如特別是磁體軸承安排。
[0022]如圖1A中所示，由于提供了軸支承部分11和12以及磁體部分13，軸2被分為三個軸部分，這些軸部分由上述軸支承部分11、12以及磁體部分13形成。
[0023]所述三個部分11至13在完全組裝后狀態下支撐在彼此上，為此目的，在此實例中提供了一個系桿19。在此，這些部分11至13在軸承殼體外部被預先組裝到該系桿19上，為此目的所述系桿的自由端部分19A被擰入軸支承部分12的內螺紋中，適當時中間有一個墊圈。在軸支承部分11的左端處，由這三個部分11至13構成的該安排通過一個軸螺母20被固定至系桿19上。在所述預組裝狀態下，所述安排可以經歷進一步的機加工，例如可以優選地進行研磨和涂覆。
[0024]隨后將壓縮機葉輪4用一個第一軸向軸承半件33固定至軸支承部分12上，并且使所述安排平衡。隨后將第二軸向軸承半件34插到所形成的該安排上，并且將徑向軸承6和7固定在該軸承殼體中。以上描述的預組裝后的軸組件接著作為整體被插入該軸承殼體9中。[0025]在圖1A中展示的這個特別優選的實施例中，一個渦輪機葉輪21被安排在軸2的、與軸2的末端5相反定位的這個末端區域上，該渦輪機葉輪配備有一個可變渦輪機幾何形狀22以便提高效率。在圖1中沒有展示出這個不言而喻將提供的渦輪機殼體，以便提供對VTG22的更好展示，但是不言而喻，除了壓縮機殼體3之外，該渦輪機殼體同樣被提供在立即可操作的空氣給送裝置1中。
[0026]為了所述單元的最后支撐，在將渦輪機葉輪21安裝到系桿19的另一自由端19Β上之后，將一個螺母19C擰到所述系桿上而使得由軸支承部分11和12以及磁體部分13以及任選提供的渦輪機葉輪21所構成的這整個軸組件得到支撐。
[0027]在圖1Α所展示的實施例中，壓縮機葉輪4通過該螺釘連接23而固定至軸2上，如以上已經描述的。然而還有可能將壓縮機葉輪4按以上描述的方式經由系桿19而連接到軸2的軸組件上，并且在此情況下還有可能將渦輪機葉輪21相應地經由該螺釘連接23進行連接。
[0028]圖1Α還示出，所述圖中展示的空氣給送裝置1的這個特別優選的實施例還具有一個軸向空氣軸承8，該軸向空氣軸承在軸承殼體9中被安排在壓縮機葉輪4鄰近處并且與一個徑向向外伸出的軸套環31相互作用，在其兩側上安排了這些軸向軸承半件。
[0029]最后，圖1Α示出，空氣給送裝置1的這個優選實施例還具有一個冷卻裝置24，該冷卻裝置被界定在軸承殼體9的外側與一個外包殼25之間，該外包殼在外側以一個間隔環繞該軸承殼體9。以此方式，有可能形成一個冷卻夾套，可以將優選處于冷卻水形式的冷卻劑引入該冷卻夾套中，以便能夠對該空氣給送裝置1的這些部件提供所需要的冷卻。
[0030]具體對于軸向空氣軸承8的冷卻而言，在圖1Α中展示的這個特別優選的實施例中的冷卻劑裝置24具有一個軸向冷卻支承部分27，該軸向冷卻支承部分是由在軸承殼體9中形成的一個環形管道形成的，所述環形管道被提供在軸向空氣軸承8的鄰近處以便能夠在此賦予增大的冷卻作用。
[0031]最后必須提到的是，外包殼25相對于軸承殼體9通過一種0型環安排28和29而以靈活方式被密封隔離并且被支撐，這些0型環安排在各自情況下是提供在外包殼25的端部中。在此，一個靜態固定裝置36 (例如是處于用于將空氣給送裝置1安裝在機動車輛中的軸承座的形式)接合到外包殼25上而使得上述0型環安排28和29不僅可以發揮其密封功能而且可以發揮阻尼功能。
[0032]圖1Β展示了穿過空氣給送裝置1但處于不同位置的另外一個縱向截面，還清楚地顯示，在該特別優選的實施例中在軸承殼體9中提供了一個彈簧組安排，由于圖1Β中選定的截面位置，在該彈簧組安排中的一個彈簧組35是可見的。然而該彈簧組安排常規地具有至少兩個這樣的彈簧組35。在插入上述具有這兩個軸向軸承半件33和34的軸組件之后，該彈簧組安排將這些軸向軸承半件34壓到軸套環31的環形盤片上，這使得組裝過程的進一步簡化。
[0033]圖1Β的圖示還以放大的形式顯示了已經在圖1Α的基礎上關于其流動引導元件進行了描述的該冷卻裝置24，上述冷卻裝置在此實例中被形成為一種螺旋管道安排，該螺旋管道安排產生了優選為螺旋形的冷卻劑流動以便增大冷卻作用。
[0034]就根據本發明的空氣給送裝置1的效率的增大(在引言部分中解釋過)而言，作為一個另外的區別特征還提供了:軸支承部分11和12以及磁體部分13相對于彼此定中心在該安排的一個外邊緣處，如從圖2的詳細圖示中可以看出。
[0035]在此方面，圖2示出了具有一個外部環形增強物13A的磁體部分13、支承在所述增強物的內部圓周環上的一個套管13B、以及進而支承在套管13B的內部圓周上的一個磁體13C，所述磁體配備有一個中央縱向貫通凹陷13D，該系桿19可以引導穿過該貫通凹陷。為了提供更簡單的展示和解釋，圖2僅示出了圖1中被安排在縱向軸線L以上的區域的詳圖。而圖1中所示的系桿19在圖2中未另外展示出。還有可能將增強物13A直接附接到磁體13C上，也就是說不使用套管13B。
[0036]上述在外邊緣A上的外部定中心是通過一個軸向伸出的凸耳12A實現的，該凸耳的內圓周接合到該增強物13A的一個對應地形成的環形包繞的臺階13F上并且具有一個軸向停止表面13E，凸耳12A軸向地支承在該軸向停止表面上。為了避免雙重配合，在圖2中展示的磁體部分13與軸支承部分12之間提供了游隙S，所述軸支承部分包括該凸耳12A和一個縱向貫通凹陷12B，在該貫通凹陷中提供了一個內螺紋12C，系桿19的關于圖1所解釋的第一自由端部分19A以及該螺紋桿23A可以被擰入該內螺紋中。
[0037]在部件12與13之間的、在外邊緣處定向的這種定中心產生了該軸的增大的穩定性，其中必須強調的是，上述穩定化作用不言而喻是按照與軸支承部分11與磁體部分13之間的相同方式實現的，但為了簡便起見這點在圖2中沒有詳細展示出。
[0038]為了允許系桿19穿過，不言而喻軸支承部分11還具有延伸穿過其整個長度、與通道凹陷13D和12B對應的一個縱向中央孔。
[0039]在根據圖2的安排的另一個替代方案中，有可能的是該中央部分13B為一個磁體并且部分13C構成一個內軸，這樣使得在所述安排中，磁體13B被包裹在外部增強物13A與內軸13C之間，這在該磁體具有相對多孔的結構時是特別有利的，該多孔的結構由于增強物13A和軸13C的包繞而被穩定。
[0040]為了進一步增大效率，最后有可能使壓縮機殼體3具有一個擴散器30，該擴散器配備有一種葉片結構(blading)，該葉片結構在圖3中以略微簡化的形式示意性地展示出，因為所述葉片在圖1中由于所述圖中描繪的圖示而是不可見的。擴散器30的這種葉片結構可以對應于圖3的圖示通過一個環31'來實現，該環可以插入擴散器30中并且配備有一種葉片安排32，該葉片安排可以根據應用進行適配，如舉例而言可以從圖3的透視圖中看出的。圖3中具體示出了，在此所展示的這個特別優選的實施例中的葉片安排32是處于雙重葉片結構的形式，該雙葉片結構在此實例中包括十一個葉片對。然而，葉片對的數目、其設計、其相對于彼此的對齊、以及其相對于環31的對齊可以根據應用進行修改。
[0041]除本發明的以上書面披露之外，特此還明確地參考在圖1至圖3中的圖示說明。此夕卜，本發明的上述單獨部件的任何可想到的組合根據本發明都是有可能的，因而本發明不局限于以上描述的這些實例。
[0042]參考符號清單
[0043]1 空氣給送裝置
[0044]2 軸
[0045]3 壓縮機殼體
[0046]4 壓縮機葉輪
[0047]5 軸2的第一末端[0048]6,7,8空氣軸承安排或徑向空氣軸承6、7和軸向空氣軸承8
[0049]9 軸承殼體
[0050]10 電動機
[0051]11，12軸支承部分
[0052]12A 凸耳
[0053]12B縱向中央凹陷
[0054]12C內螺紋
[0055]13 磁體部分
[0056]13A套管狀增強物
[0057]13B 套管
[0058]13C環形磁體
[0059]13D磁體13C的縱向中央凹陷
[0060]13E增強物13A的軸向停止表面
[0061]13F 臺階
[0062]14 線圈
[0063]15，16線圈的端側
[0064]17，18引導元件(引導圓盤)
[0065]19 系桿
[0066]19A, 19B 系桿的自由端
[0067]19C 螺母
[0068]20 軸的螺母
[0069]21 渦輪機葉輪
[0070]22 VTG
[0071]23 螺紋連接
[0072]23A螺紋桿
[0073]23B 螺釘
[0074]24 冷卻裝置
[0075]25 外部夾套
[0076]26 引導裝置24的流動引導元件，用于產生優選旋轉的螺旋形冷卻劑流的
[0077]27 軸向軸承冷卻部分
[0078]28，29 0 型環
[0079]30 擴散器
[0080]31 環形盤/軸套環
[0081]31'環
[0082]32 葉片結構
[0083]33，34軸向軸承半件
[0084]35 彈簧組
[0085]36 靜態固定裝置/軸承座
[0086]L縱向軸線[0087]S 游隙
[0088]A外邊緣
【權利要求】
1.一種用于燃料電池的空氣給送裝置(1)，-具有一個軸⑵；-具有一個壓縮機葉輪(4)，該壓縮機葉輪被安排在一個壓縮機殼體(3)中并且被緊固至該軸(2)的這些末端(5，20)中的一個末端(5)上，-具有一個軸承安排(6，7，8)，該軸承安排被安排在一個軸承殼體(9)中以用于安裝該軸⑵，并且-具有用于驅動該軸(2)的一個電動機(10)，該電動機被安排在該軸承殼體(9)中，其中-該軸(2)具有被形成為分開部件的兩個軸支承部分(11，12)并且具有一個磁體部分(13)，該磁體部分被安排在這些軸支承部分(11，12)之間、形成了一個分開的部件并且形成了該電動機(10)的轉子，這些軸支承部分(11，12)和該磁體部分(13)支撐在彼此上，并且其中這些軸支承部分(11，12)和該磁體部分(13)是通過一個定中心安排(12A，13F)而相對于彼此定中心的，該定中心安排接合在一個外邊緣(A)上，這些軸支承部分(11，12)和該磁體部分(13)在各自情況下軸向地支承在彼此上。
2.如權利要求1所述的空氣給送裝置，其中，提供了一個線圈(14)，該線圈形成了該電動機(10)的定子并且在該軸承殼體(9)中是圍繞該磁體部分(13)安排的。
3.如權利要求2所述的空氣給送裝置，其中，該線圈(14)是通過兩個軸向引導元件(17,18)引導的，這些軸向引導元件在該軸承殼體(9)中支承在所述線圈的相應端側(15，16)上。
4.如權利要求1至3之一所述的空氣給送裝置，其中，這些軸支承部分(11，12)和該磁體部分(13)借助一個系桿(19)而支撐在彼此之上。
5.如權利要求1至4之一所述的空氣給送裝置，其中，在該軸(2)的另一端(20)上安排了一個渦輪機葉輪(21)。
6.如權利要求5所述的空氣給送裝置，其中，該壓縮機葉輪(4)或該渦輪機葉輪(21)通過一種螺釘連接(23)而連接到該軸(2)上，并且在各自情況下另一個葉輪(渦輪機葉輪21或壓縮機葉輪4)通過該系桿(19)而連接到該軸(2)上。
7.如權利要求5或6所述的空氣給送裝置，其中，該渦輪機葉輪(21)被安排在一個渦輪機殼體中，該渦輪機殼體配備有一個可變渦輪機幾何形狀(22)。
8.如權利要求1至7之一所述的空氣給送裝置，其中，該軸承安排是處于一種空氣軸承安排的形式，該空氣軸承安排具有在這些軸支承部分(11，12)上被安排在該電動機(10)的兩側上的兩個徑向空氣軸承出和7)、以及一個軸向空氣軸承(8)。
9.如權利要求8所述的空氣給送裝置，其中，該空氣軸承安排具有一個軸向空氣軸承(8)，該軸向空氣軸承在該軸承殼體(9)中是鄰近于該壓縮機葉輪(4)安排的。
10.如權利要求1至9之一所述的空氣給送裝置，其中，在該軸承殼體(9)與環繞所述軸承殼體的一個外包殼(25)之間提供了一個冷卻裝置(24)。
11.如權利要求10所述的空氣給送裝置，其中，該冷卻裝置(24)具有多個流動引導元件(26)。
12.如權利要求11所述的空氣給送裝置，其中，這些流動引導元件(26)是處于一種有多個螺旋管道的安排的形式。
13.如權利要求11或12所述的空氣給送裝置，其中，該冷卻裝置(25)具有被安排在該軸承殼體(9)中的一個軸向支承冷卻部分(27)。
14.如權利要求11至13之一所述的空氣給送裝置，其中，該外包殼(25)是通過多個0型環(28，29)支撐在該軸承殼體(9)上的。
15.如權利要求1至14之一所述的空氣給送裝置，其中，該壓縮機殼體(3)具有一個葉片式擴散器(30)。
16.如權利要求15所述的空氣給送裝置，其中，該擴散器(30)配備有一種雙重葉片結構(32)。
17.如權利要求9所述的空氣給送裝置，其中，該軸向空氣軸承(8)具有兩個軸向軸承半件(33，34)，這些軸向軸承半件被安排在一個軸套環(31)的兩側上并且通過安排在該軸承殼體(9)中的一個彈簧組安排(35)而被預加載。
【文檔編號】F04D29/26GK103650226SQ201280034161
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年8月17日 優先權日:2011年8月24日
【發明者】D·梅茨, M·米勒, A·賽庫勞拉科 申請人:博格華納公司