(57)【要約】【課題】新しいタイプのターボチャージャおよびそうしたターボチャージャを有する駆動システムを作り出すこと。【解決手段】本発明は、第１の媒体を膨張させるための、タービンハウジング（４）とタービンロータ（５）とを備えるタービン（２）と、第１の媒体の膨張中にタービン（２）で抽出されたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するための圧縮機（３）と、を備えるターボチャージャ（１）に関し、圧縮機（３）は、圧縮機ハウジング（６）と圧縮機ロータ（７）とを備えており、膨張されるかあるいは膨張された第１の媒体の温度は、圧縮されるかあるいは圧縮された第２の媒体の温度より低く、タービンロータ（５）と圧縮機ロータ（７）とは互いに直接接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の媒体を膨張させるためのタービン（２）であって、タービンハウジング（４）とタービンロータ（５）とを備えるタービン（２）と、
前記第１の媒体の膨張中に前記タービン（２）で抽出されたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するための圧縮機（３）と、
を備えるターボチャージャ（１）であって、
前記圧縮機（３）は、圧縮機ハウジング（６）と圧縮機ロータ（７）とを備えており、
膨張されるかあるいは膨張された第１の媒体の温度は、圧縮されるかあるいは圧縮された第２の媒体の温度より低く、
前記タービンロータ（５）と前記圧縮機ロータ（７）とは互いに直接接続されていることを特徴とするターボチャージャ（１）。
【請求項２】
前記タービン（２）は、半径方向の流入および軸方向の流出を受けるタービンロータ（５）を備えるラジアルタービンであり、
前記圧縮機（３）は、軸方向の流入および半径方向の流出を受ける圧縮機ロータ（７）を備えるラジアル圧縮機であり、
前記タービンロータ（５）と前記圧縮機ロータ（７）とは、背中合わせに位置決めされ、かつ互いに直接接続されていることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項３】
前記タービンロータ（５）と前記圧縮機ロータ（７）とは、それらの間にシャフトが配置されることなく、互いに直接接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項４】
前記タービンロータ（５）と前記圧縮機ロータ（７）とからなるユニットは、横方向に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項５】
少なくとも１つの第１のベアリング（８）が、前記第１の媒体の流れ方向に見て、前記タービンロータ（５）の下流に配置されており、
少なくとも１つの第２のベアリング（９）が、前記第２の媒体の流れ方向に見て、前記圧縮機ロータ（７）の上流に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項６】
前記第１のベアリング（８）は前記タービンハウジング（４）に組み込まれ、かつ前記第２のベアリング（９）は前記圧縮機ハウジング（６）に組み込まれていることを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項７】
前記タービンハウジング（４）と前記圧縮機ハウジング（６）とは、それらの間にベアリングハウジングが配置されることなく、互いに接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）。
【請求項８】
燃料電池と、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のターボチャージャ（１）であって、前記ターボチャージャの前記タービン（２）が、第１の媒体として前記燃料電池の排気ガスを膨張させる、ターボチャージャ（１）と、
を有することを特徴とする駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボチャージャに関するものである。本発明はさらに、燃料電池とターボチャージャとを備える駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャの基本的な構成は、本明細書で説明される分野における当業者には公知である。ターボチャージャはタービンを備えており、当該タービン内で第１の媒体が膨張される。ターボチャージャはさらに圧縮機を備えており、当該圧縮機内で第２の媒体が圧縮される、すなわち第１の媒体の膨張中にタービンで抽出されたエネルギーが利用される。ターボチャージャのタービンは、タービンハウジングとタービンロータとを備える。ターボチャージャの圧縮機は、圧縮機ハウジングと圧縮機ロータとを備える。実際に公知のターボチャージャにおいて、タービンのタービンハウジングと圧縮機の圧縮機ハウジングとの間にはベアリングハウジングが位置決めされており、ベアリングハウジングは、片側においてはタービンハウジングに接続されており、かつ他側においては圧縮機ハウジングに接続されている。ベアリングハウジングにはシャフトが取り付けられており、実際に公知のターボチャージャにおいては、当該シャフトを介して、タービンロータが圧縮機ロータに連結されている。
【０００３】
実際に公知のターボチャージャにおいて、ターボチャージャのタービンが、内燃機関、特にディーゼルエンジンまたは火花点火エンジンの排気ガスを膨張させるのに役立っており、そうしたターボチャージャでは、シャフトを介してタービンロータと圧縮機ロータとの間隔を空けること、およびベアリングハウジングを介して圧縮機ハウジングとタービンハウジングとの間隔を空けることは、タービンから圧縮機の方向に発する熱伝達をできるだけ防ぐために、重要である。これは、圧縮機内で圧縮される第２の媒体がタービンから発する熱伝達つまり熱伝導を介して加熱されることを回避するのに役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これから出発して、本発明は、新しいタイプのターボチャージャおよびそうしたターボチャージャを有する駆動システムを作り出すという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項１に記載のターボチャージャによって達成される。
【０００６】
本発明に基づくターボチャージャは、第１の媒体を膨張させるためのタービンを備えており、当該タービンは、タービンハウジングとタービンロータとを備えている。本発明に基づくターボチャージャは、第１の媒体の膨張中にタービンで抽出されたエネルギーを利用して第２の媒体を圧縮するための圧縮機をさらに備えており、当該圧縮機は、圧縮機ハウジングと圧縮機ロータとを備えており、膨張されるかあるいは膨張された第１の媒体の温度は、圧縮されるかあるいは圧縮された第２の媒体の温度より低く、かつタービンロータと圧縮機ロータとは、互いに直接接続されている。タービンロータと圧縮機ロータとは、それらの間にシャフトが配置されることなく、互いに接続されている。
【０００７】
本発明に基づくターボチャージャにおいて、タービンは、温度レベルが圧縮機内の温度レベルより低い媒体を膨張させるのに役立つ。本発明は、そうしたターボチャージャにおいて、タービンロータと圧縮機ロータとが互いに直接接続できるという認識に基づいている。なぜなら、この場合、圧縮機からタービンの方向に発する熱伝達つまり熱伝導が圧縮機の効率を高めるのに好ましいからである。圧縮機とタービンとの間の熱結合は、実際に公知のターボチャージャでは望ましくないが、この場合においては、タービンロータと圧縮機ロータとがそれらの間にシャフトが配置されることなく互いに有利に直接接続されるため、とりわけ有利である。
【０００８】
優先的には、タービンは、半径方向の流入および軸方向の流出を受けるタービンロータを備えるラジアルタービンであり、圧縮機は、軸方向の流入および半径方向の流出を受ける圧縮機ロータを備えるラジアル圧縮機であり、かつタービンロータと圧縮機ロータとは、連続して位置決めされており、かつそれらの間にシャフトが配置されることなく互いに接続されている。これらロータが背中合わせに位置決めされかつシャフトを伴わずに連結されるラジアルタービンおよびラジアル圧縮機を備えるそうしたターボチャージャにおいて、圧縮機からタービンの方向への熱伝達は、高い圧縮効率を達成するために特に有利に利用できる。
【０００９】
優先的には、タービンロータと圧縮機ロータとからなるユニットは横方向に取り付けられている。少なくとも１つの第１のベアリングが、第１の媒体の流れ方向に見て、タービンロータの下流に配置されている。少なくとも１つの第２のベアリングが、第２の媒体の流れ方向に見て、圧縮機ロータの上流に配置されている。タービンハウジングと圧縮機ハウジングとは、それらの間にベアリングハウジングが配置されることなく互いに接続されている。この実施形態は、本発明に基づくターボチャージャのコンパクトな設計を保証するために特に好ましい。圧縮機ロータとタービンロータとは、背中合わせに位置決めされており、かつそれらの間にシャフトが配置されることなく互いに接続されているため、タービンハウジングと圧縮機ハウジングとの間に配置されるベアリングハウジングは省略される。ロータを取り付けるためのベアリングは、横方向に位置決めされる、すなわち圧縮機ロータとタービンロータとの間には位置決めされない。
【００１０】
駆動システムは請求項８で規定されている。
【００１１】
本発明の好ましいさらなる展開例は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、これに限定されることなく図面を用いてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ターボチャージャの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、ターボチャージャに関し、かつターボチャージャを有する駆動システムに関するものである。
【００１４】
図１は、本発明に基づくターボチャージャ１の断面図を示しており、ターボチャージャ１は、タービン２と圧縮機３とを備える。
【００１５】
タービン２で第１の媒体が膨張される。この過程で抽出されるエネルギーは、圧縮機３内で第２の媒体を圧縮するために利用される。
【００１６】
タービン２は、タービンハウジング４とタービンロータ５とを備える。圧縮機３は、圧縮機ハウジング６と圧縮機ロータ７とを備える。
【００１７】
図示された好ましい例示的な実施形態では、タービン２はラジアルタービンであり、圧縮機３はラジアル圧縮機である。タービン２のタービンロータ５は、膨張される第１の媒体によって半径方向の流入を受け、膨張された第１の媒体は、タービン２のタービンロータ５から軸方向に流れる。矢印Ｉは、第１の媒体の流れ方向、特にタービンロータ５に対する第１の媒体の半径方向の流入および軸方向の流出を視覚化したものである。
【００１８】
ラジアル圧縮機３の圧縮機ロータ７は、圧縮される第２の媒体によって軸方向の流入を受け、同時に圧縮機ロータ７の領域における圧縮された第２の媒体が、半径方向において圧縮機ロータ７から流出する。矢印IIは、圧縮機３の領域における第２の媒体の流れ方向、特に圧縮機ロータ７の軸方向の流入と、圧縮機ロータ７からの圧縮された第２の媒体の半径方向の流出とを視覚化したものである。
【００１９】
圧縮機３の領域において圧縮されるかあるいは圧縮された第２の媒体は、タービンの領域において膨張されるかあるいは膨張された第１の媒体よりも高い温度レベルを有する。そのため、タービン２の領域において膨張されるかあるいは膨張された第１の媒体の温度は、圧縮機３の領域において圧縮されるかあるいは圧縮された第２の媒体の温度よりも低い。
【００２０】
圧縮機ロータ７とタービンロータ５とは、互いに直接接続されている、すなわち、それらの間にシャフトは配置されていない。タービン２がラジアルタービンでありかつ圧縮機３がラジアル圧縮機である図１に図示される好ましい例示的な実施形態において、タービンロータ５と圧縮機ロータ７とは背中合わせに位置決めされており、かつそれらの間にシャフトが配置されることなく互いに接続されている。
【００２１】
ターボチャージャのこの実施形態によって、圧縮機３からタービン２の方向に発する熱伝達つまり熱伝導が可能となり、その結果、圧縮機３の領域における圧縮効率を高めることができる。
【００２２】
タービンロータ５と圧縮機ロータ７とがシャフトを伴わずに互いに直接接続されているという事実により、タービンハウジング４と圧縮機ハウジング６との間のベアリングハウジングは省略されている。タービンロータ５と圧縮機ロータ７とからなる優先的な一体ユニットの取り付けは、ベアリング８，９を介して横方向に実現されており、少なくとも１つの第１のベアリング８は、タービン２の領域において膨張される第１の媒体の流れ方向に見て、タービンロータ５の下流に配置されており、かつ少なくとも１つの第２のベアリング９は、圧縮機３の領域において圧縮される第２の媒体の流れ方向に見て、圧縮機ロータ７の上流に配置されている。個々の第１のベアリング８はタービンハウジング４に組み込まれ、一方で個々の第２のベアリング９は圧縮機ハウジング６に組み込まれる。
【００２３】
タービンハウジング４と圧縮機ハウジング６との間の別のベアリングハウジングを省略することによって、かつタービンロータ５と圧縮機ロータ７との間のシャフトを省略することによって、圧縮機３からタービン２の方向への熱伝達を有利に利用可能にするだけでなく、ターボチャージャ１の設置スペースに関する要件も少なくできる。ターボチャージャ１は、高い効率性、軽量およびコンパクトな設計を有する。本発明に基づくタービンロータ５および圧縮機ロータ７の配置の更なる利点は、実際に存在するタービンロータ５および圧縮機ロータ７の後側のホイール横方向スペースが排除されることである。これによって、効率が高められる。圧縮機側およびタービン側の圧力条件のために、タービンロータ５と圧縮機ロータ７とからなるユニットに作用する軸方向スラストを最小限に抑えることができる。実際に知られているターボチャージャにおいて、この軸方向スラストは、ベアリングによって吸収されなければならないが、そうしたベアリングはベアリング損失をもたらす。本発明に基づくターボチャージャ１では、そうした軸方向スラストに由来するベアリング損失を最小限に抑えることができる。
【００２４】
本発明に基づくターボチャージャ１は、駆動ユニットとして燃料電池、特に水素 - 酸素燃料電池を含む駆動システムの一部である。燃料電池の排気ガスは、ターボチャージャ１のタービン２内で膨張される。この排気ガスは、圧縮機３内の温度レベルより低い温度レベルを有する水蒸気である。ターボチャージャ１の圧縮機３において、空気は圧縮されて燃料電池プロセスに送られる。上述のように、ターボチャージャ１の実施形態により、圧縮機３からタービン２の方向に発する良好な熱伝導が実現可能である。これによって、そうしたターボチャージャ１と燃料電池とを備える駆動システムに関する圧縮効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００２５】
１  ターボチャージャ
２  タービン
３  圧縮機
４  タービンハウジング
５  タービンロータ
６  圧縮機ハウジング
７  圧縮機ロータ
８  ベアリング
９  ベアリング
【図１】
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【外国語明細書】
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