(57)【要約】  本発明は、及び吸入側と圧縮側にハウジング（１）と作動流体（９）用の吸入口（１０）を備え、少なくとも１つのインペラ（３）がシャフト（４）に配備され、該シャフトはラジアル軸受（５、６）及びスラスト軸受（７）によってハウジング（１）内で支承され、少なくとも１つの軸受（５〜７）のための冷却装置とを備える流体フロー機関に関する。本発明の課題は、少ない費用で、効率を改善し軸受の冷却効率を向上させることを可能にする、流体フロー機関を提供することである。本発明の本質は、スラスト軸受（７）の回転部分（１３）が冷却流体移送装置として形成され、吸い込み接続がインペラ（３）の吸入側に通じていることである。この流体フロー機関の好ましい使用形態として、特に燃料電池システムに酸化剤を供給するための電動ターボチャージャの部分としての使用が提案される。
2010516930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入側と圧縮側にハウジング（１）及び作動流体（９）用の吸入口（１０）と、
ラジアル軸受（５、６）及びスラスト軸受（７）によって前記ハウジング（１）内で支承され、少なくとも１つのインペラ（３）を備えるシャフト（４）と、
少なくとも１つの軸受（５〜７）のための冷却装置とを備える流体フロー機関において、
該スラスト軸受（７）の回転部分（１３）が冷却流体移送装置として形成され、吸い込み接続が該インペラ（３）吸入側へ通じていることを特徴とする流体フロー機関。
【請求項２】
前記回転部分（１３）がディスク形状に形成され、共回転するよう前記シャフト（４）に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体フロー機関。
【請求項３】
前記回転部分（１３）が流体（９）を移送するチャネル（１４）を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の流体フロー機関。
【請求項４】
前記チャネル（１４）が主に径方向に貫通することを特徴とする、請求項３に記載の流体フロー機関。
【請求項５】
前記ディスク（１３）が流体（９）を移送するラジアル穴（１４）を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の流体フロー機関。
【請求項６】
前記ディスク（１３）がさらに流体（９）を移送する、ラジアル穴（１４）と接続されたアキシャル穴を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の流体フロー機関。
【請求項７】
前記シャフト（４）が冷却流体管として中空に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体フロー機関。
【請求項８】
インペラが電動機によって駆動されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の流体フロー機関。
【請求項９】
冷却流体がさらに前記電動機の冷却に使用されることを特徴とする、請求項８に記載の流体フロー機関。
【請求項１０】
前記請求項のいずれか一項に記載の流体フロー機関の使用において、該流体フロー機関と電動機（８）及びタービンホイール（１７）を組み合わせて電動ターボチャージャ（１６）を構成することを特徴とする流体フロー機関の使用。
【請求項１１】
前記電動ターボチャージャ（１６）を燃料電池システムの酸化剤供給用に使用することを特徴とする、請求項１０に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に従った流体フロー機関に関する。本発明は特に、排気ガスによって駆動されるポンプを備えた内燃機関、及びコンプレッサーを備えた燃料電池の燃料供給に適用される。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１により、中空シャフト上にコンプレッサーホイール及びタービンホイールを備えたターボ圧縮機が公知である。過熱からシャフトを保護するために、空気がシャフト内部を通って循環し、その際シャフトはタービンホイールから断熱される。冷却用空気は抽気として圧縮機の圧縮側から取り出される。高圧時には、抽気をシャフト冷却用に使用する前に抽気そのものを冷却しなければならない。
【０００３】
特許文献２の、燃料電池システム用ガス供給ユニットでは、制御ユニット及び駆動ユニットがチャネルとして形成されており、そのチャネルを通って冷却剤が流れる。チャネルの一部は駆動ユニットのロータ軸受に割り当てられている。燃料電池システムのための燃料ガスフロー制御は、燃料ガスが追加の冷却効果をロータ軸受にもたらすように行われる。燃料ガスはターボ圧縮機のインペラの吸い込み作用により、軸受に沿って案内される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５０８７１７６号明細書
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００６６６８０Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、少ない費用で効率を改善し軸受の冷却効果を向上させることを可能にする、流体フロー機関を提供することである。
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴を備えた流体フロー機関によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項に開示される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従い、インペラのシャフトはラジアル軸受とスラスト軸受で支承される。スラスト軸受は、冷却流体移送装置として作用する回転部分を備える。冷却流体はインペラ吸入側からシャフト軸受部及び残りの冷却すべき構成部品へと送られる。この軸受は、ころ軸受、摩擦軸受、ガス軸受であってよい。
【０００８】
特にその一部は共回転するようにシャフトに取り付けられたディスクとして仕上げられてもよい。このディスクは冷却流体を送るためにブレードを備えていても、又はらせん状のチャネルを備えていてもよい。特にこのディスクは空洞を備えていてもよく、その際チャネルは軸受面の方向へ案内される。このチャネル乃至ラジアル穴は径方向に貫流するのが好ましい。
【０００９】
１つの有利な実施形態では、シャフトが中空に形成され、冷却流体がシャフト内部を流れる。
【００１０】
冷却流体移送装置として形成されたスラスト軸受の部分は、インペラの圧縮側の作動流体ほどは冷却流体を高圧で圧縮しない。冷却流体はインペラの吸入側に吸い込まれ、このインペラ吸入側では圧力と温度が効率向上を可能にする範囲にある。なぜなら、圧縮側からは全く作動流体が分岐されないからである。冷却流体としてこの部分に吸い込まれた作動流体の温度は圧縮側の作動流体よりも低く、その結果冷却流体の循環する軸受が効率的に冷却される。
【００１１】
本発明の特に有利な実施形態では、インペラが電動機によって駆動される。１つの発展形態において特に有利には、通常モータとして機能する電動機が、送られた冷却流体によって一緒に冷却される。その場合、上述の移送及び圧力レベルの観点から見た利点が、モータ冷却に使用される冷却流体にももたらされる。さらに、モータ冷却は追加の冷媒移送装置なしで実行することができる。
【００１２】
流体フロー機関がタービン羽根によって駆動されるか、または駆動が少なくともタービン羽根を使用して支援される場合、スラスト軸受の冷却流体移送部分の代わりに又はそれに追加で、冷却流体をタービン羽根の背面にあるブレードを使用して送ることができる。この場合、圧縮機インペラの吸入側から送られた冷却用空気はタービンの膨張プロセスに導かれることができる。
【００１３】
本発明は、以下において１つの実施例に基づいて説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃料電池装置の圧縮機ユニットインペラ軸受のための冷却装置の概要図である。
【図２】電動ターボチャージャの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１で明白なように、圧縮機ユニット１００は圧縮機チャンバ２を形成するハウジング１から構成されている。圧縮機チャンバ２内で、中空シャフト４上に固定されている羽根（インペラ）３が回転する。シャフト４はラジアル軸受５、６及びスラスト軸受７によって回転可能にハウジング１内に支承されている。ラジアル軸受５、６は、シャフト４が回転軸に対して横断方向に動くのを防止している。スラスト軸受７は、シャフト４が軸方向に動くのを防止している。シャフト４乃至羽根３は例えば電動機乃至電気モータ８によって駆動される。
【００１６】
羽根３が回転すると、羽根３によって気体９が吸気口１０を通って吸い込まれる。羽根３の圧縮側では、チャネル１１が圧縮された気体９を再排出する。気体９は、好ましくは燃料電池装置の空気極側に酸化剤として送られる空気であってよい。
【００１７】
軸受５〜７が、ここではガス軸受ないし流体ガス軸受（いわゆるフォイル軸受）であることが好ましいが、圧縮機ユニット作動中に加熱しないよう、ハウジング１内で軸受５〜７の軸受面に沿って冷却チャネル１２が配置される。冷却チャネル１２には、吸気口１０から取り込まれた燃料ガス９が貫流する。冷却チャネル１２を通して気体９を搬送するため、スラスト軸受７のディスク１３にはチャネル１４が貫通され、このチャネルが吸い込み作用を気体９に及ぼす。ディスク１３は共回転するようにシャフト４上に取り付けられている。シャフト４中のラジアル穴１５はシャフト４内部とチャネル１４とを接続している。さらにディスク１３内にはラジアル穴１５と接続されたアキシャル穴（図示ぜず）があり、このアキシャル穴はディスク１３の軸方向の気体の通過を可能にしている（軸受７の領域）。
【００１８】
圧縮機ユニットの作動中、回転しているディスク１３を使用して気体９のわずかな一部が冷却目的で吸気口１０から分岐され、その際、圧縮側と比べて相対的に冷たい気体９が中空のシャフト４、穴１５及びチャネル１４、１２を通って熱の一部を軸受５〜７から取り去る。冷却された軸受５〜７は、耐用年数が向上する。チャネル１２から来た気体９は、例えば燃料電池装置の空気極側へ酸化剤として導かれることができる。燃料ガス乃至水素側への使用も、原理的に考えられる。その場合には気体９は燃料極側へ導かれる。
【００１９】
加えて、電気モータ８の冷却は、冷却流体によって行われることが可能である（図１、図示ぜず）。その場合、冷却された電気モータ８は冷却されない場合に比べ、場合によって熱として生じる損失を排除し、それによって機械８が損傷しないようにできるという利点がある。これにより、特に例えば同期モータにおける正弦波の正確性などを制御するための電力消費も低減することができる。場合により「質の悪い」正弦波などによって付随的に発生する電力損失は、最小の費用及び最小の取付けスペースによって電気モータ８に損傷（例：減磁）を引き起こすことなく排除することができる。このような冷却装置の構造的形態は、例えば冷却流体をすき間又は中空シャフトを通してシャフト付近に、好ましくは電気モータ８のロータへ案内することなどが、明らかである。
【００２０】
図２は、ここに記述されている流体フロー機関の好ましい使用が電動ターボチャージャ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｕｒｂｏ Ｃｈａｒｇｅｒ＝ＥＴＣ）１６として示されている。これは基本的に、圧縮機ユニット１００、電動機８、及びここには詳細が示されないタービンホイール１７から構成される。このタービンホイール１７は例えば内燃機関に取り付けられるターボチャージャで公知である。このＥＴＣ１６は、通常燃料電池装置の空気極領域に、通常は空気、又は新鮮空気と燃料電池装置からの排出又は排気ガスの混合を酸化剤として供給するために使用される。ここでタービンホイール１７には燃料電池装置の排気ガスが送られる。従って、タービンホイール１７を使用してシステム内にある圧力エネルギーを取り戻すことができる。さらに、排気ガスには、そのエネルギー含量を上昇させ、及びタービンホイールでのエネルギー収率を高めるために、燃料電池装置に従って燃焼させた後に場合によってさらに燃料を加えることが考えられる。
【００２１】
ここでＥＴＣ１６は、どれほどのエネルギーがタービンホイールに供給可能かどうか、及び酸化剤の圧縮のためにどれほどのエネルギーが現時点で必要かによって、タービンホイール１７を介しても、電動機８を介しても駆動されることが可能である。そのつどの時点乃至そのつどの作動条件下でタービンホイール１７のエネルギー余剰が存在する場合は、電動機８を発電機としても作動させることができる。そのようにして発電された電力も、同様に自由に使用できる。
【符号の説明】
【００２２】
１００  圧縮機ユニット
１  ハウジング
２  圧縮機チャンバ
３  羽根（インペラ）
４  シャフト
５  ラジアル軸受
６  ラジアル軸受
７  スラスト軸受
８  電動機
９  燃料ガス
１０  吸気口
１１  チャネル
１２  冷却チャネル
１３  ディスク
１４  チャネル
１５  穴
１６  ＥＴＣ
１７  タービンホイール
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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