(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機（１）用の軸（１０）において、少なくとも区分ごとに中空に構成された管体（１２）を有しており、前記管体（１２）が、第１の構成部分（１４）と第２の構成部分（１６）とを有していて、これらの構成部分は、互いに隣接して配置された、それぞれの軸方向の端部区分（１４ａ，１６ａ）で互いに接合されており、前記管体（１２）の中空室（１２ａ）が、前記軸（１０）に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気によって貫流可能であり、
前記第１の構成部分（１４）が、前記第１の構成部分（１４）と前記第２の構成部分（１６）との接合箇所（１９）に隣接して配置された第１の軸方向の端部区分（１４ａ）に、前記第１の構成部分（１４）の軸方向（Ａ）に延在する、第１の直径の孔（２０ａ）を有しており、前記孔（２０ａ）に可変な直径の区分（２０ｂ）が続いていて、前記区分（２０ｂ）に、前記第１の構成部分（１４）の前記軸方向（Ａ）に延在する第２の直径の孔（２０ｃ）が続いていて、
前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）の第１の直径の前記孔（２０ａ，２２ａ）が、前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）の第２の直径の前記孔（２０ｃ、２２ｃ）よりも小さい直径を有しており、前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）内に設けられた可変な直径の前記区分（２０ｂ，２２ｂ）は、第１の直径の前記孔（２０ａ，２２ａ）から第２の直径の前記孔（２０ｃ，２２ｃ）へと概ね直線的に増大するように構成されている、遠心圧縮機（１）用の軸（１０）。
【請求項２】
燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機（１）用の軸（１０）において、少なくとも区分ごとに中空に構成された管体（１２）を有しており、前記管体（１２）が、第１の構成部分（１４）と第２の構成部分（１６）とを有していて、これらの構成部分は、互いに隣接して配置された、それぞれの軸方向の端部区分（１４ａ，１６ａ）で互いに接合されており、前記管体（１２）の中空室（１２ａ）が、前記軸（１０）に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気によって貫流可能であり、
前記第２の構成部分（１６）が、前記第１の構成部分（１４）と前記第２の構成部分（１６）との接合箇所（１９）に隣接して配置された第１の軸方向の端部区分（１６ａ）に、前記第２の構成部分（１６）の前記軸方向（Ａ）に延在する第１の直径の孔（２２ａ）を有していて、前記孔（２２ａ）に、可変な直径の区分（２２ｂ）が続いていて、前記区分（２２ｂ）に、前記第２の構成部分（１６）の前記軸方向（Ａ）に延在する、第２の直径の孔（２２ｃ）が続いていて、
前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）の第１の直径の前記孔（２０ａ，２２ａ）が、前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）の第２の直径の前記孔（２０ｃ、２２ｃ）よりも小さい直径を有しており、前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）内に設けられた可変な直径の前記区分（２０ｂ，２２ｂ）は、第１の直径の前記孔（２０ａ，２２ａ）から第２の直径の前記孔（２０ｃ，２２ｃ）へと概ね直線的に増大するように構成されている、遠心圧縮機（１）用の軸（１０）。
【請求項３】
前記第１の構成部分（１４）と前記第２の構成部分（１６）とが摩擦溶接によって互いに接合されていることを特徴とする、請求項１または２記載の軸。
【請求項４】
前記第１の構成部分（１４）が、圧縮機ホイール（２４）に隣接して配置された第２の軸方向の端部区分（１４ｂ）に、前記第１の構成部分（１４）の中心軸線（Ｍ）の範囲内に配置された中央孔（２６）を有しており、前記中央孔（２６）が、前記第１の構成部分（１４）の軸方向（Ａ）に延在し、かつ前記第１の構成部分（１４）内に設けられた前記第２の直径の孔（２０ｃ）と流体連通していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の軸。
【請求項５】
前記管体（１２）が、好適には、前記管体（１２）の周りに環状に配置された横方向孔（２８）を有しており、前記横方向孔（２８）が、前記第２の構成部分（１６）の前記第２の直径の孔（２２ｃ）の範囲内に配置されていて、前記第２の構成部分（１６）の前記第２の直径の孔（２２ｃ）と流体連通していることを特徴とする、請求項４記載の軸。
【請求項６】
前記管体（１２）の前記中空室（１２ａ）内に前記中央孔（２６）を通って流入する空気が、前記管体（１２）の前記中空室（１２ａ）を通ってガイド可能であり、前記空気が前記第２の構成部分（１６）の前記第２の直径の孔（２２ｃ）の範囲内に配置された前記横方向孔（２８）を通って前記管体（１２）の前記中空室（１２ａ）から流出可能であることを特徴とする、請求項５記載の軸。
【請求項７】
前記管体（１２）の前記中空室（１２ａ）が空気ガイドエレメント（３０）を有しており、前記空気ガイドエレメント（３０）は、空気流（Ｌ）を軸方向の流れから半径方向の流れに変向し、かつ前記横方向孔（２８）に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項５または６記載の軸。
【請求項８】
燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機（１）において、請求項１から７までのいずれか１項記載の軸（１０）を有する回転要素と、前記軸（１０）を駆動するために構成された電動機（３２）とが設けられており、前記軸（１０）に少なくとも１つの圧縮機ホイール（２４）がフランジ結合されている、燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機（１）。
【請求項９】
燃料電池に空気を供給するための請求項８に記載の遠心圧縮機（１）を製造するための方法において、
第１の構成部分（１４）および第２の構成部分（１６）を有する管体（１２）を設置する（Ｓ１）ステップと、
前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）に少なくとも区分ごとの段付き孔を設ける（Ｓ２）ステップと、
前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）を、互いに隣接して配置された前記第１の構成部分（１４）および前記第２の構成部分（１６）のそれぞれ軸方向の端部区分で以って接合するステップと、
を有しており、少なくとも区分ごとに中空に構成された前記管体（１２）の中空室（１２ａ）が、前記軸（１０）に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気により貫流可能である、遠心圧縮機（１）を製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機用の軸に関する。本発明はさらに、燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機に関する。本発明はさらに、燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に空気を供給するために用いられる、電動式のターボ圧縮機は公知であるとみとめられている。タンクから供給される水素が周囲空気からの酸素と反応することにより、車両の燃料電池内で電流が自動的に発生される。この場合、電流が生ぜしめられ、反応生成物として単に水蒸気が発生するだけである。空気と水素は、補助ユニットによって正しい割合で燃料電池に供給されなければならない。空気の圧力上昇は、効率および出力密度の上昇を生ぜしめる。費用を削減するために、実際の設計では記憶装置バッテリは大抵省かれるので、燃料電池はそのエネルギを、走行駆動装置の要求に応じてダイナミックに提供する必要がある。これは、空気供給の高過渡的な運転にも基づいている。
【０００３】
特許文献１は、空気を搬送および圧縮するための空気羽根車を備えた遠心圧縮機について開示しており、この場合、空気羽根車の空気羽根は、空気羽根車を含むハウジングと共に空気羽根車を支承するためのラジアル空気軸受を形成するために、半径方向端部に一体成形されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１３２２１１１９号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機用の軸であって、この軸は、少なくとも区分ごとに中空に構成された管体を有しており、この管体は、第１の構成部分と第２の構成部分とを有していて、これらの構成部分は、互いに隣接して配置された、それぞれの軸方向の端部区分で互いに結合されており、この場合、管体の中空室が、軸に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気によって貫流可能であるものを提供する。
【０００６】
本発明はさらに、本発明による軸を有する回転要素と、この軸を駆動するために構成された電動機とを備え、前記軸に少なくとも１つの圧縮機ホイールがフランジ結合されている、燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機を提供する。
【０００７】
本発明はさらに、燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機を製造するための方法を提供する。燃料電池に空気を供給するための遠心圧縮機を製造するためのこの方法は、第１の構成部分および第２の構成部分を有する管体の設置を含む。この方法はさらに、第１の構成部分および第２の構成部分に少なくとも区分ごとに段付き孔を設けることを含む。この方法はさらに、第１の構成部分および第２の構成部分を、互いに隣接して配置された第１の構成部分および第２の構成部分のそれぞれ軸方向の端部区分で以って接合することを含み、この場合、少なくとも区分ごとに中空に構成された管体の中空室が、軸に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気により貫流可能である。
【０００８】
本発明の考え方は、軸方向の端部区分で互いに結合された第１の構成部分および第２の構成部分を有する組立てられた軸を設けることによって、構造的な規定若しくは要求に応じて管体の中空室を形成する、という点にある。さらに、管体の中空室は、軸に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気によって貫流され、これによって、管体は一方では中空室を設けることによって重量に関連して最適化され、また相応の構成部材に冷却空気を供給することもできる。好適な実施例および発展形態は、従属請求項並びに図面に関連して明細書に記載されている。
【０００９】
好適な発展形態によれば、第１の構成部分と第２の構成部分とが摩擦溶接によって互いに接合されていることが意図される。
【００１０】
これによって、軸の簡単な製造可能性が保証され得る。第１の構成部分と第２の構成部分との接合は、好適な形式で精確に行われ、それによって、軸の回転特性が中空の構成に基づいて中実軸の回転特性に優る。
【００１１】
別の好適な発展形態によれば、第１の構成部分が、この第１の構成部分と第２の構成部分との接合箇所に隣接して配置された第１の軸方向の端部区分に、第１の構成部分の軸方向に延在する、第１の直径の孔を有しており、この孔に可変な直径の区分が続いていて、この区分に、前記第１の構成部分の軸方向に延在する第２の直径の孔が続いているようになっている。第１の構成部分の中空室の、このような構成は、好適な形式で、軸を第１の構成部分と第２の構成部分とに２分割したことによってのみ実現可能である。従って、中空室は、概ね軸の外側輪郭に従うか若しくはこれに倣うことが可能である。
【００１２】
別の好適な発展形態によれば、第２の構成部分が、第１の構成部分と第２の構成部分との接合箇所に隣接して配置された第１の軸方向の端部区分に、第２の構成部分の軸方向に延在する第１の直径の孔を有していて、この孔に、可変な直径の区分が続いていて、この区分に第２の構成部分の軸方向に延在する、第２の直径の孔が続くようになっている。第２の構成部分の中空室のこのような構成は好適な形式で、軸を第１の構成部分と第２の構成部分とに２分割したことによってのみ実現可能である。従って中空室は、概ね軸の外側輪郭に従うか若しくはこれに倣うことが可能である。
【００１３】
別の好適な発展形態によれば、第１の構成部分および第２の構成部分の第１の直径の孔が、第１の構成部分および第２の構成部分の第２の直径の孔よりも小さい直径を有しており、この場合、第１の構成部分および第２の構成部分内に設けられた可変な直径の区分は、第１の直径の孔から第２の直径の孔へと概ね直線的に増大するように構成されている。これによって、好適な形式で、直径が変化する箇所で渦流が発生することなしに、層状の空気流が管体を通ってガイドされ得る。
【００１４】
別の好適な発展形態によれば、第１の構成部分が、圧縮機ホイールに隣接して配置された第２の軸方向の端部区分に、第１の構成部分の中心軸線の範囲内に配置された中央孔を有しており、この中央孔が、第１の構成部分の軸方向に延在し、かつ第１の構成部分内に設けられた第２の直径の孔と流体連通するようになっている。横方向孔を設けたことによって、管体内に流入する空気は周囲に導出され得る。
【００１５】
別の好適な発展形態によれば、管体の中空室内に中央孔を通って流入する空気が、管体の中空室を通ってガイド可能であり、この場合、空気が第２の構成部分の第２の孔の範囲内に配置された横方向孔を通って管体の中空室から流出可能となっている。横方向孔は好適な形式で、この横方向孔から流出する空気流が軸に隣接して配置された構成部材を空気流で負荷し、それによってこの構成部材の冷却を生ぜしめるように、配置されている。
【００１６】
別の好適な実施態様によれば、管体の中空室が空気ガイドエレメントを有しており、この空気ガイドエレメントは、空気流を軸方向の流れから半径方向の流れに変向し、かつ横方向孔に供給するように構成されている。これによって、管体を通ってガイドされた空気流は横方向孔に効果的に供給され得る。
【００１７】
別の好適な発展形態によれば、軸の回転が、管体の中空室内に配置された、軸の周囲と連通する少なくとも１つの横方向孔を通って空気を吐き出すためのポンプ作用を生ぜしめるようになっている。従って、軸の回転は好適な形式で空気流の加速を生ぜしめるので、軸に隣接して配置された構成部材は空気流によって効果的に負荷され得る。
【００１８】
記載した実施形態および発展形態は、任意に互いに組み合わせることができる。
【００１９】
本発明のその他の可能な実施形態、発展形態および実現は、本発明の前記または以下の実施例に関連して記載した特徴の明確に挙げていない組み合わせも含む。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好適な実施例による遠心圧縮機のための軸の縦断面図である。
【図２】本発明の好適な実施例による遠心圧縮機を製造するための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
添付の図面は、本発明の実施例のさらなる理解に役立つ。図面は、複数の実施例を示し、明細書に関連して発明の原理および考え方の説明に役立つ。
【００２２】
その他の実施例および前記多くの利点は、図面に関連して明らかである。図面に示された構成要素は必ずしも縮尺通りではない。
【００２３】
図面の図中で、同じ符号は、反対のことが記載されていない限り、同じまたは機能的に同じ構成要素、構成部分または構成部材を示す。
【００２４】
図１は、本発明の好適な実施例による遠心圧縮機のための軸の縦断面図を示す。
【００２５】
遠心圧縮機１のための軸１０は、燃料電池の空気供給のために、少なくとも区分ごとに中空に構成された管体１２を有している。管体１２は、第１の構成部分１４と第２の構成部分１６とを有しており、これらの構成部分１４，１６は、互いに隣接して配置された軸方向のそれぞれの端部区分１４ａ，１６ａで互いに接合されている。管体１２の中空室１２ａは、軸１０に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気により貫流可能である。この構成部材は、例えば電動機３２および／または軸の軸受によって形成されている。
【００２６】
第１の構成部分１４と第２の構成部分１６とは好適な形式で摩擦溶接によって互いに結合されている。選択的に、第１の構成部分１４および第２の構成部分１６は、従来の溶接結合またはその他の接合によって互いに接合されていてよい。摩擦溶接継目１７は、概ね軸１０の半径方向Ｒでおよび軸１０の軸方向Ａで概ね中央の範囲１８内に形成されている。
【００２７】
第１の構成部分１４は、第２の構成部分１６と第１の構成部分１４との接合箇所１９に隣接して配置された第１の軸方向の端部区分１４ａに、第１の構成部分１４の軸方向Ａに延在する第１の直径の孔２０ａを有している。第１の直径の孔２０ａに、可変な直径の区分２０ｂが続いている。他方では、可変な直径の区分２０ｂに、第１の構成部分１４の軸方向Ａに延在する第２の直径の孔２０ｃが続いている。
【００２８】
第１の構成部分１４の第１の直径の孔２０ａは、第１の構成部分１４の第２の直径の孔２０ｃよりも小さい直径を有している。第１の構成部分１４内に設けられた可変な直径の区分２０ｂは、直径が第１の孔２０ａから第２の孔２０ｃへと概ね直線的に増大するように構成されている。
【００２９】
第２の構成部分１６は、第１の構成部分１４と第２の構成部分１６との接合箇所１９に隣接して配置された第１の軸方向の端部区分１６ａに、第２の構成部分１６の軸方向Ａに延在する第１の直径の孔２２ａを有している。第１の直径の孔２２ａに、可変な直径の区分２２ｂが続いている。他方では、可変な直径の区分２２ｂに、第２の構成部分１６の軸方向Ａに延在する第２の直径の孔２２ｃが続いている。
【００３０】
第２の構成部分１６の第１の直径の孔２２ａは、第２の構成部分１６の第２の直径の孔２２ｃよりも小さい直径を有している。第２の構成部分１６内に設けられた可変な直径の区分２２ｂは、直径が第１の孔２２ａから第２の孔２２ｃへと概ね直線的に増大するように構成されている。第１の構成部分１４は、圧縮機ホイール２４に隣接して配置された第２の軸方向の端部区分１４ｂに、第１の構成部分１４の中心軸線Ｍの範囲内に配置された中央孔２６を有している。中央孔２６は、第１の構成部分１４の軸方向Ａに延在していて、第１の構成部分１４内に設けられた第２の直径の孔２０ｃと流体連通している。
【００３１】
管体１２は、好適な形式で管体１２の周りに環状に配置された横方向孔２８を有している。横方向孔２８は、第２の構成部分１６の第２の直径の孔２２ｃの範囲内に配置されていて、第２の構成部分１６の第２の直径の孔２２ｃと流体連通している。
【００３２】
中央孔２６を通って管体１２の中空室１２ａ内に流入する空気は、管体１２の中空室１２ａを通ってガイド可能である。この場合、空気は、第２の構成部分１６の第２の直径の孔２２ｃの範囲内に配置された横方向孔２８を通って管体１２の中空室１２ａから流出することができる。
【００３３】
管体１２の中空室１２ａは空気ガイドエレメント３０を有している。空気ガイドエレメント３０は、空気流Ｌを軸方向流から半径方向流に変向し、それによって横方向孔に供給するように構成されている。
【００３４】
圧縮機ホイール２４は、中央孔２６の範囲内の軸１０に、若しくは第１の構成部分１４の第２の軸方向の端部区分１４ｂに配置されている。さらに、圧縮機ホイール２４と管体１２との間にスラスト軸受２５が配置されている。また、第２の構成部分１６の第２の軸方向の端部区分１６ｂにタービンホイール３４がフランジ結合されている。このタービンホイール３４は任意である。さらに、中央の範囲１８内に、軸１０を駆動するための電動機３２の永久磁石３６が配置されている。永久磁石３６は、例えば鋼またはカーボンより成る締具３８によって位置不動に固定されている。
【００３５】
図２は、本発明の好適な実施例による遠心圧縮機を製造するための方法のフローチャートを示す。燃料電池への空気供給用の遠心圧縮機を製造するための方法は、第１の構成部分と第２の構成部分とを有する管体の設置Ｓ１を含む。
【００３６】
この方法はさらに、第１の構成部分および第２の構成部分内に少なくとも区分ごとに段付き孔を設けるＳ２を含む。
【００３７】
この方法はさらに、第１の構成部分および第２の構成部分を、第１の構成部分および第２の構成部分の、それぞれ互いに隣接して配置された軸方向の端部区分で以って接合するＳ３を含み、この場合、少なくとも区分ごとに中空に構成された管体の中空室は、軸に隣接して配置された構成部材を冷却するために空気によって貫流可能である。
【００３８】
本発明は好適な実施例をもとにして前述されているが、本発明はこの実施例のみに限定されているのではなく、多様な方法および形式で変更可能である。特に本発明は、発明の本質を変更することなしに、多種多様な形式で変更または改変することができる。
【００３９】
例えば、軸の構成部材の形状、寸法および／または性質は、それぞれの構造上若しくは構成上の要求に従って変更されてよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  遠心圧縮機
１０  軸
１２  管体
１２ａ  中空室
１４  第１の構成部分
１４ａ  第１の軸方向の端部区分
１４ｂ  第２の軸方向の端部区分
１６  第２の構成部分
１６ａ  第１の軸方向の端部区分
１６ｂ  第２の軸方向の端部区分
１８  中央の範囲
１９  接合箇所
２０ａ  第１の直径の孔
２０ｂ  可変な直径の区分
２０ｃ  第２の直径の孔、
２２ａ  第１の直径の孔
２２ｂ  可変な直径の区分
２２ｃ  第２の直径の孔
２４  圧縮機ホイール
２５  スラスト軸受
２６  中央孔
２８  横方向孔
３０  空気ガイドエレメント
３２  電動機
３４  タービンホイール
Ａ  軸方向
Ｌ  空気流
Ｍ  中心軸線
Ｓ１  管体を設置するステップ
Ｓ２  段付き孔を設けるステップ
Ｓ３  接合するステップ
【図１】
0006968253.tif 000002
【図２】
0006968253.tif 000003