具有形成扩散器的壁的热屏蔽的电动机驱动的压缩机的制作方法
【专利说明】具有形成扩散器的壁的热屏蔽的电动机驱动的压缩机
[0001]相关申请的交叉引用
本申请涉及2014年2月19日提交的共同拥有的共同未决的申请N0.14/184，122，所述申请的全部公开通过引用在此并入。
技术领域
[0002]本公开涉及诸如用于燃料电池的电动机驱动的压缩机。
【背景技术】
[0003]空气压缩机能用于通过将压缩空气提供至燃料电池的阴极侧来提高燃料电池的效率。二级压缩机可用于需要比单压缩机级中可得到的高的压力的某些应用。在二级压缩机中，低压压缩机叶轮设置在轴上，并且高压压缩机叶轮设置在相同的轴上。轴由电动机驱动，使得压缩机叶轮旋转，并且空气进入低压压缩机叶轮并被压缩至第一压力。压缩空气然后被传递给用于压力的进一步提高的高压叶轮。来自高压压缩机叶轮的空气然后被输送至燃料电池，以促进燃料电池反应。
[0004]用于燃料电池的压缩机的电动机典型地是产生大量热的高速、高输出马达。通常需要使马达与在压缩机中被压缩的空气之间的热传递和马达与用于压缩机轴的轴承之间的热传递最小。
【发明内容】
[0005]本公开描述了诸如可与燃料电池一起使用或可用于其他应用的电动机驱动的压缩机的实施例。在一个实施例中，例如，电动机驱动压缩机包括壳体组件，所述壳体组件包括马达壳体和安装至马达壳体的压缩机壳体。马达壳体包含马达定子和马达转子，并限定可转动的轴穿过其中的孔。压缩机壳体包含安装在轴上用于绕轴中心线旋转的离心压缩机叶轮。压缩机壳体还限定将空气引导到压缩机叶轮中的空气入口和收集已穿过压缩机叶轮的压缩空气的蜗壳。压缩机叶轮的出口与蜗壳之间的扩散器用于使压缩空气扩散至较低的速度和因此较高的静态压力。
[0006]在一个实施例中的电动机驱动压缩机包括可旋转地支撑轴的空气轴承。冷却空气通路被限定在壳体组件中，用于将冷却空气供应至空气轴承。
[0007]根据本公开，电动机驱动压缩机包括与压缩机壳体和马达壳体分开形成并设置在它们之间的热屏蔽。热屏蔽限定用于被输送到蜗壳中的压缩空气的扩散器的一个壁。热屏蔽还与壳体组件合作，以限定用于供应至空气轴承的冷却空气的冷却空气通路的一部分。
[0008]在一个实施例中，马达壳体限定用于使液体冷却剂循环的液体冷却剂通路，并且热屏蔽限定被卡在马达壳体与第一压缩机壳体之间的安装凸缘。安装凸缘与由液体冷却剂冷却的马达壳体的一部分接触，以便有助于从安装凸缘到马达壳体的所述部分的热传递。
[0009]在一个实施例中，热屏蔽与马达壳体布置成以便在它们之间限定用于接纳冷却空气的环形空间，并且冷却空气通路布置成用于从环形空间接纳冷却空气。能在热屏蔽与马达壳体之间附加地限定冷却空气间隙，冷却空气间隙布置成从环形空间接纳冷却空气。
[0010]压缩机还能包括在第一压缩机叶轮与空气轴承中间固定至轴的第一密封架和接合在绕第一密封架形成的周向槽中的第一密封环。第一密封环安置成抵靠着热屏蔽的径向内表面密封，以便阻止第一压缩机流动路径与空气轴承之间的空气泄露。
[0011]本发明的特征能适用于二级串联压缩机，诸如在此图示并描述的实施例。在这样的二级压缩机的情况下，第二压缩机壳体安装至马达壳体的相对端，并且第二离心压缩机叶轮被包含在第二压缩机壳体中，并固定至轴的相对端。第二压缩机壳体限定第二压缩机流动路径，所述第二压缩机流动路径包括:第二空气入口，其将空气引导到第二压缩机叶轮中；和第二蜗壳，其收集已穿过并被第二压缩机叶轮压缩的压缩空气。级间管道将第二蜗壳连接至第一空气入口，使得被第二压缩机叶轮压缩的空气由级间管道从第二蜗壳引导到第一空气入口中，并被第一压缩机叶轮进一步压缩和输送到第一蜗壳中。因此第二压缩机叶轮构成低压压缩机叶轮，并且第一压缩机叶轮构成高压压缩机叶轮。
[0012]在二级压缩机实施例中，热屏蔽与马达壳体布置成在它们之间限定用于接纳冷却空气的环形空间，并且冷却空气通路布置成用于从环形空间接纳冷却空气。马达壳体限定用于供应被接纳在环形空间中的冷却空气的冷却空气入口。壳体组件能限定邻近低压压缩机叶轮的环状空间，环状空间从冷却空气入口接纳冷却空气，并且马达壳体能限定轴向延伸导管，用于将冷却空气从所述环状空间供给到在热屏蔽与马达壳体之间限定的环形空间中。
【附图说明】
[0013]如此已概括地描述了本公开，现在将参考不一定按比例绘制的附图，并且其中:
图1是根据本发明的一个实施例的包括具有串联的低压压缩机和高压压缩机的二级压缩机的电动机驱动压缩机的部分截面侧视图；
图2是示出冷却空气如何被供应到热屏蔽与马达壳体之间的环形空间中的细节的图1的一部分的放大图；以及
图3是示出热屏蔽及其在高压压缩机中的布置的细节的图1的一部分的放大图。
【具体实施方式】
[0014]现在将在下文中参考其中示出本发明的某些但非所有实施例的附图更全面地描述本发明。实际上，本发明的方面可以许多不同的形式体现，并且不应被理解为限于在此陈述的实施例；相反，提供这些实施例，使得该公开满足适用的法律要求。相同的附图标记始终指的是相同的元件。
[0015]本发明可适用于各种各样的电动机驱动的压缩机类型，包括单级以及多级电动机驱动的压缩机。为了说明本发明的原理而在此描述的特定的实施例是具有串联布置的两个离心压缩机的串联二级压缩机，但本发明可适用于并联二级压缩机以及其他的类型。因此，在图1中示出了用于与燃料电池(诸如质子交换膜(PEM)燃料电池)一起使用的串联二级电动机驱动的压缩机10的简化横截面视图。二级压缩机10包括壳体组件，所述壳体组件包括:马达壳体20 ;低压压缩机壳体40，其安装至马达壳体的一端；和高压压缩机壳体60，其安装至马达壳体的另一端。马达壳体20包含马达定子22和马达转子24，所述马达转子24具有轴26，永磁体28绕该轴固定地安装。马达壳体20限定孔30，马达转子24与轴26穿过该孔。空气轴承32设置在马达壳体20中，用于可旋转地支撑转子24和轴26。
[0016]低压压缩机壳体40包含安装在轴26的一端上用于与之一起旋转的离心低压压缩机叶轮42，低压压缩机壳体还限定低压压缩机流动路径，所述低压压缩机流动路径包括:空气入口 44，其将空气引导到低压压缩机叶轮中；和低压蜗壳46，其收集已穿过并被低压压缩机叶轮压缩的压缩空气。低压压缩机还包括扩散器45，所述扩散器45将压缩空气从低压压缩机叶轮42引导到低压蜗壳46中，并用于降低速度和提高进入蜗壳的空气的静态压力。
[0017]高压压缩机壳体60包含安装在轴26的相对端上用于与之一起旋转的离心高压压缩机叶轮62。高压压缩机壳体限定高压压缩机流动路径，所述高压压缩机流动路径包括:空气入口 64，其将空气引导到高压压缩机叶轮中；和高压蜗壳66，其收集已穿过并被高压压缩机叶轮压缩的压缩空气。高压压缩机还包括扩散器65，所述扩散器65将压缩空气从高压压缩机叶轮62引导到高压蜗壳66中，并用于降低速度和提高进入蜗壳的空气的静态压力。
[0018]压缩机还包括连接在低压蜗壳46与高压压缩机的入口 64之间的级间管道50，用于将压缩空气从低压蜗壳46按路线传送至高压压缩机用于在第二级压缩过程中进一步加压。
[0019]冷却空气通路被限定在壳体组件中，用于将冷却空气供应至空气轴承32 O尤其地，参考图2，冷却空气被供应到限定在马达壳体20中的冷却空气供应入口 70中。例如，在压缩机10用于车辆的燃料电池系统的情况下，其中来自高压蜗壳66的压缩空气在其被供应至燃料电池之前穿过车辆热交换器以使空气冷却，离开热交换器的一部分空气可被抽出并供应到冷却空气供应入口 70中。从那里，冷却空气进入由马达壳体20与低压压缩机壳体40合作地限定的环状空间72。环状空间72中的冷却空气的一部分通过通路73被径向地向内引导，并供给至用于低压侧空气止推轴承的止推板43的两侧。止推板43的内(马达)侧上的空气供给轴颈空气轴承32 (还冷却转子磁体28)，然后被排出到马达空腔中。止推板43的外侧上的空气通过通路47径向向外进入在压缩机壳体中限定的环形空间49，并且从那里，空气通过通路51进入马达空腔。
[0020]环状空间72中的冷却空气的剩余部分被引导通过轴向延伸的冷却空气导管74，所述轴向延伸的冷却空气导管74从环状空间72延伸通过马达壳体20，并与在高压压缩机附近的另一环状空间76 (图1和3)连接。参考图3，马达壳体20限定冷却空气通路78，所述冷却空气通路78从环状空间76大体上径向向内地通向在马达转子24的高压端的大体上环形的空间80。供给到大体上环形的空间80中的冷却空气大体上轴向地(向图3中的左侧)通过并供给用于转子24的轴颈空气轴承3