CN111051703A - 用于燃料电池系统的用于输送和/或压缩气态介质的侧通道压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(37)的侧通道压缩机(1)，用于输送和/或压缩气体、尤其是氢气，所述侧通道压缩机具有：壳体(3)，其中，所述壳体(3)具有壳体上部分(7)和壳体下部分(8)；和位于所述壳体(3)中的压缩机室(30)，所述压缩机室具有环绕的至少一个侧通道(19)；和位于所述壳体(3)中的压缩机轮(2)，所述压缩机轮以能够绕着旋转轴线(4)旋转的方式布置，其中，所述压缩机轮(2)在其周边上具有布置在所述压缩机室(30)的区域中的叶片(5)；并且具有分别构造在所述壳体(3)上的气体进入开口(14)和气体排出开口(16)，所述气体进入开口和所述气体排出开口经由所述压缩机室(30)、尤其所述至少一个侧通道(19)相互流体连通。在此，根据本发明，所述压缩机轮(2)在其周边上具有环绕的外限界环(11)，所述外限界环相对于所述旋转轴线(4)旋转对称地绕着所述压缩机轮(2)延伸。

Description

用于燃料电池系统的用于输送和/或压缩气态介质的侧通道 压缩机

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的侧通道压缩机，用于输送和/或压缩气态介质、尤其是氢气，所述燃料电池系统尤其设置为用于使用在具有燃料电池驱动装置的车辆中。

背景技术

在汽车领域中，除液态燃料外，气态燃料在未来也越来越重要。尤其在具有燃料电池驱动装置的车辆中必须控制氢气流。在此，气流不再如在喷射液态燃料时那样不连续地被控制，而是将气体从至少一个高压箱取出并且经由中压管路系统的流入管路引导到喷射器单元上。该喷射器单元将气体经由低压管路系统的连接管路导向燃料电池。在气体流过燃料电池之后，该气体经由回流管路被引回到喷射器单元。在此，侧通道压缩机可以被连接在中间，该侧通道压缩机在流体技术和效率技术方面辅助气体再循环。此外，侧通道压缩机被用于尤其在一定停机时间之后(冷)启动车辆时辅助燃料电池驱动装置中的流动建立。该侧通道压缩机的驱动通常通过电动机实现，该电动机在车辆中运行时通过车辆电池被供给电压。

由DE 10 2007 053 016 A1已知一种用于燃料电池系统的侧通道压缩机，在该侧通道压缩机中，气态介质被输送和/或压缩。侧通道压缩机具有环绕在壳体中的压缩机轮，该压缩机轮固定在驱动轴上并且被驱动装置置于旋转中。在此，压缩机轮具有内限界环，该内限界环环绕着旋转轴线地延伸。在该压缩机轮上，在压缩机室的区域中存在叶片，在这些叶片之间分别构造有输送腔。叶片与至少一个环形地构造的、环绕着旋转轴线的侧通道共同作用。在此，叶片构造为平面的，并且叶片轮廓沿旋转轴线的方向平坦地延伸。在压缩机轮在壳体中旋转时，在叶片和侧通道之间形成回转流动，由于该回转流动实现从压缩机轮到气态介质中的能量导入。在此，气态介质轴向地沿旋转轴线的方向流入到输送腔的内部的、面向内限界环的区域中并且沿旋转轴线的方向轴向地又在输送腔的外部的、背离内限界环的区域中流出。在流过叶片的输送腔时，气态介质经受涡旋变化，由于该涡旋变化在环绕的侧通道中引起压力升高。

由DE 10 2007 053 016 A1已知的侧通道压缩机可能具有一定缺点。在构造具有相对于流动方向成直角地布置的叶片的输送腔时存在不利的流动条件，所述叶片尤其具有沿旋转轴线方向延伸的平坦的轮廓。该缺点在输送气态介质时、尤其在气态介质流入到输送腔和从输送腔流出时出现，其中，尤其借助该侧通道压缩机可实现的输送压力和效率低。此外，由DE10 2007 053 016 A1已知的侧通道压缩机提供以下缺点：在侧通道压缩机运行时在压缩机轮绕着旋转轴线在壳体中旋转时，其中，压缩机轮的旋转由驱动装置引起，在壳体表面和位于壳体中的压缩机轮表面之间产生相对运动和相对速度。由于压缩机轮的旋转，位于侧通道压缩机中的介质置于运动中、被侧通道压缩机输送和理想地压缩。在此，静止壳体的表面能够引起气态介质流动、尤其是回转流动减速并且在壳体和气态介质、尤其是在相对于旋转轴线径向地从压缩机轮向外流动的气态介质中出现增加的摩擦。此外，该效应被由于气态介质质量而引起的离心力效应增强，因为在压缩机轮旋转时，被输送的气态介质由于离心力与相对于旋转轴线轴向地流动相比越来越强地沿旋转轴线方向被径向地挤向外。由于气态介质和壳体之间的、尤其相对于旋转轴线径向的摩擦增加，气态介质的流速减小并且气态介质的温度可以由于该摩擦而升高，这又抑制优化的压缩。此外，该效应还导致减小的输送压力和降低的效率。

发明内容

根据本发明，提出一种用于燃料电池系统的侧通道压缩机，用于输送和/或压缩气态介质、尤其是氢气。

参照权利要求1，侧通道压缩机这样地构造，使得压缩机轮在其周边上具有环绕的外限界环，该外限界环相对于旋转轴线旋转对称地绕着压缩机轮延伸。以这种方式可以防止由压缩机轮径向地从旋转轴线向外延伸的泄漏流。此外，通过根据本发明的侧通道压缩机的构型以在压缩机轮的周边上环绕的外限界环的形式防止，气态介质相对于旋转轴线径向地从压缩机轮离开流向壳体，并且因此，现在防止气态介质与壳体在该方向上的接触。这提供以下优点：可以保持气态介质的优化的流速、不提高气态介质的温度并且保持优化的输送压力。由此能够实现气态介质在侧通道压缩机中的改善的输送和压缩，并且可以提高侧通道压缩机的效率。最后，驱动装置、尤其是电驱动装置与所输送的气态介质的量成比例地，尤其从车辆系统需要更少的能量。也能够减小由侧通道压缩机运行而产生的噪声污染。

通过在从属权利要求中列举的措施能够实现在权利要求1中所说明的泵的有利扩展方案。从属权利要求涉及本发明的优选扩展方案。

根据一个特别有利的构型，压缩机轮在压缩机室的区域中在各两个相邻叶片之间分别构造有输送腔。该输送腔相对于旋转轴线径向向外地被外限界环限界并且径向向内地被压缩机轮的环绕的内限界环限界。在此，输送腔沿旋转轴线的方向具有至少一个开口。在此，外限界环和内限界相对于旋转轴线旋转对称地延伸。此外，所述至少一个开口构造在压缩机轮的输送腔的面向壳体的至少一个侧通道的侧面上。以这种方式可以实现，气态介质的流动、尤其是回转流动仅相对于旋转轴线轴向地流到输送腔和从输送腔流出，并且因此，在至少一个侧通道和输送腔之间仅出现气态介质的轴向运动。这提供以下优点：气态介质的流动仅出现在其被希望的区域中、即在侧通道压缩机和输送腔之间。由于介质与侧通道压缩机的其它区域的摩擦而引起的摩擦损失可以最大程度上被减小和/或避免，所述摩擦损失不会引起气态介质的改善的输送和压缩，由此能提高侧通道压缩机的效率。也不发生气态介质由于不希望的摩擦而引起的不希望的温度升高。

根据一个有利构型，至少两个叶片在外限界环的面向旋转轴线的一侧上具有在横截面上逐渐变尖的第一导向轮廓和/或在内限界环的背离旋转轴线的一侧上具有在横截面上逐渐变尖的第二导向轮廓。在此，第一对称轴线穿过两个导向轮廓的对应的尖端延伸。以这种方式，从至少一个侧通道相对于旋转轴线轴向地穿过所述至少一个开口流入到输送腔中的气态介质更好地被置于回转流动的所希望的方向中和所希望的状态下，由此可以改善侧通道压缩机的输送作用。由此提高压缩机室中的输送压力并且可以改善侧通道压缩机的效率。

根据一个有利的扩展方案，至少两个叶片分别具有V形轮廓。在此，V形轮廓在两个开口之间沿旋转轴线的方向延伸。在此，对称的V形轮廓的张开侧指向旋转方向。以这种方式可以提高可实现的输送压力，并且通过V形轮廓可以改善压缩机轮在输送腔区域中的流体技术上的效率，由此可以提高侧通道压缩机的总效率。这能够通过以下方式实现：由于在输送腔的至少一个开口的区域中，叶片的端部沿旋转方向向前倾斜和/或向前布置。由此能够实现改善的流动条件，因为通过该流动条件能够实现被输送的气态介质相对于叶片近似平行地流入到输送腔中，这提供流体技术上的优点。此外，通过叶片的这种V形轮廓还可以实现改善的回转流动走势。

根据一个有利构型，在至少两个叶片的背离旋转方向的背侧上分别构造有至少一个倒棱。在此，该倒棱尤其在各叶片的面向所述至少一个开口的端部上延伸。以这种方式，尤其在压缩机轮旋转并且输送腔和V形叶片相对于至少一个侧通道相对运动期间，在侧通道压缩机运行时实现回转流动的改善的流动性能。此外，通过至少一个倒棱防止，在至少两个叶片的与压缩机轮的旋转方向相反地指向的背侧上出现流动分离，由此防止与此相关的并且对于回转流动不利的涡流形成。由此可以实现回转流动的效率提高，该效率提高由压缩机轮的叶片和至少一个环绕的侧通道之间的能量传递效率引起。

根据一个特别有利的构型，压缩机轮在外限界环上具有至少一个环绕的外置环圈，该外置环圈尤其相对于旋转轴线径向地延伸。在此，外置环圈在外限界环的背离旋转轴线的一侧上延伸。此外，至少一个环绕的外置环圈相对于旋转轴线轴向和/或径向地与壳体上部分和/或壳体下部分贴靠。以这种方式，一方面能够实现以下优点：至少一个侧通道和/或输送腔相对于尤其壳体中的外部区域密封。另一方面可以实现以下优点：通过至少一个环绕的外置环圈实现压缩机轮在壳体中的改善的导向，所述外置环圈相对于第一对称轴线轴向和/或径向地与壳体上部分和/或壳体下部分贴靠。此外由此实现，在侧通道压缩机运行期间出现较小的纵向力和横向力并且因此出现较小的有害冲击力、例如对压缩机轮、壳体、轴承和驱动装置的撞击。由此能够提高整个侧通道压缩机的使用寿命。此外，由侧通道压缩机运行产生的噪声排放由于借助环绕的外置环圈改进压缩机轮的导向而能够被改善。

根据一个有利构型，压缩机轮在内限界环上具有至少一个环绕的内置环圈，该内置环圈尤其相对于旋转轴线径向地延伸，并且该内置环圈在内限界环的面向旋转轴线的一侧上延伸。此外，至少一个环绕的内置环圈相对于旋转轴线轴向和/或径向地与壳体上部分和/或壳体下部分贴靠。以这种方式可以实现以下优点：压缩机轮在壳体中更好地被导向。此外，由此在侧通道压缩机运行期间还出现较小的纵向力和横向力并且因此出现较小的有害冲击力、例如对压缩机轮、壳体、轴承和驱动装置的撞击。由此可以提高整个侧通道压缩机的使用寿命。此外，由侧通道压缩机运行产生的噪声排放由于借助环绕的外置环圈改进压缩机轮的导向而能够被改善。

根据一个有利构型，在环绕的外限界环的背离旋转轴线的一侧上形成至少部分密封的分离室，其中，分离室尤其相对于旋转轴线在径向上位于外限界环与壳体上部分和/或壳体下部分之间并且至少部分地环绕着旋转轴线地在壳体和外限界环之间延伸。以这种方式能够实现，在气体介质中形成重组分时，可以将这些组分从输送腔和/或至少一个侧通道的区域导出到分离室中，其中，所述重组分尤其是液态水和/或水蒸气和/或氮气。在此，通过由于压缩机轮的旋转而施加到气态介质上的离心力实现重组分的导出，由于该离心力，重组分从至少一个侧通道的区域沿流出方向远离旋转轴线地穿过壳体和环绕的外置环圈之间运动到密封的分离室。由此，重组分可以从至少一个侧通道和/或输送腔的区域被导出。由此能够实现以下优点：防止通过重组分对侧通道和/或输送腔表面的损坏、尤其由腐蚀引起的损坏，这导致整个侧通道压缩机的使用寿命提高。此外，根据本发明的侧通道压缩机的构型提供以下优点：可以提高燃料电池系统的功效和效率，因为一方面，不希望的重组分从系统被导出，所述不希望的重组分尤其不是氢气并且无助于燃料电池系统中的能量产生。由此能够提高燃料电池系统的效率。此外能够提高侧通道压缩机的功效和效率，因为重组分、尤其是液态水和/或水蒸气和/或氮气，尤其与氢气相比、尤其在侧通道压缩机启动时，在被侧通道压缩机输送和/或压缩时意味着更高的能量消耗。此外，实现以下优点：通过将重组分如液态水尤其从压缩机室的区域导出防止，在燃料电池系统的关闭状态下并且在周围环境温度低时在可运动零件、尤其是压缩机轮和壳体之间形成所谓的冰桥。这种冰桥将使燃料电池系统、尤其是侧通道压缩机的启动变得困难或完全阻止该启动。因此，通过根据本发明的侧通道压缩机的构型可以防止由于冰桥形成而对侧通道压缩机的旋转零件和/或驱动装置、尤其是电驱动装置的损坏。这导致燃料电池系统和/或车辆的更高的可靠性。根据本发明的侧通道压缩机的构型的另一优点是：将重组分氮气尤其从压缩机室的区域连续地导出到分离室中，在燃料电池系统中不再需要在其他情况下必要的净化阀。该功能将包括借助该净化阀将氮气从燃料电池系统排出，在该净化阀的情况下，在操纵时也会损失一部分氢气，这对于燃料电池系统的运行是不利的并且提高燃料电池系统的氢气消耗。因此，借助根据本发明的侧通道压缩机的构型和连续地导出重组分氮气可以防止由燃料电池系统的氢气损失并且因此减少氢气消耗。

根据一个特别有利的构型，导出通道在密封的分离室的背离旋转轴线的一侧上位于壳体上部分中和/或壳体下部分中和/或在壳体上部分和壳体下部分之间。在此，导出通道在壳体上部分中和/或壳体下部分中和/或在壳体上部分和壳体下部分之间尤其在重力作用方向上位于最低点处。以这种方式可以实现以下优点：从侧通道压缩机的压缩机室被导出到分离室中的重组分进一步从侧通道压缩机的壳体和燃料电池系统被导出，由此防止，防止重组分溢流到分离室中，因为分离室的容积被完全充满，这又将防止，重组分能够进一步从压缩机室被导出。这提供以下优点：能够在整个使用寿命上保持侧通道压缩机和/或燃料电池系统的效率的提高。

通过将导出通道在壳体上部分中和/或壳体下部分中和/或壳体上部分和壳体下部分之间构造在最低点处能够实现以下优点：重组分能够在没有其它能量消耗的情况下、尤其在没有驱动装置的其它能量消耗的情况下通过重力从侧通道压缩机被导出。这提供以下优点：能够在没有其它能量消耗和因此运行成本的情况下实现侧通道压缩机的使用寿命和效率的提高。

根据一个有利构型，在内限界环的面向旋转轴线的一侧上形成至少一个至少部分密封的区域，其中，该至少一个密封区域尤其位于至少一个内置环圈与壳体上部分和/或壳体下部分之间。以这种方式防止，或者氢气或者重组分从压缩机室的区域侵入到侧通道压缩机的内置密封的区域中，在该区域中存在能够被氢气和/或重组分损坏的构件。因此，例如可以提高驱动轴的轴承的使用寿命，因为通过内置区域的密封防止尤其由于通过与水接触而引起腐蚀的损坏。此外，防止由于液体进入到电构件中而引起的电短路，因为所有电构件、例如驱动装置位于侧通道压缩机的内置密封的区域中并且因此被保护免受液体。由此减小侧通道压缩机的失效概率并且能够提高燃料电池系统的使用寿命。

附图说明

下面根据附图详细地说明本发明。

附图示出了：

图1根据本发明的侧通道压缩机的示意性剖视图，

图2侧通道压缩机的在图1中以A-A标记的截面的放大视图，

图3具有V形叶片和输送腔的封闭的压缩机轮的侧视图，

图4压缩机轮和具有逐渐变尖的第一导向轮廓和逐渐变尖的第二导向轮廓的输送腔的在图3中以B-B标记的截面，

图5压缩机轮和输送腔的在图3中以C-C标记的截面与叶片几何形状和在侧通道中的回转流动的示图，

图6压缩机室的在图1中以II标记的局部，

图7密封的分离室的在图6中以III标记的局部。

具体实施方式

从根据图1的示图得到根据本发明提出的、相对于旋转轴线4旋转对称地构造的侧通道压缩机1的纵截面的立体视图。

在此，侧通道压缩机1具有压缩机轮2，该压缩机轮尤其构造为封闭的盘状压缩机轮2并且绕着水平延伸的旋转轴线4可旋转地支承在壳体3中。在此，驱动装置6、尤其是电驱动装置6用作压缩机轮2的旋转驱动装置。壳体3包括相互连接的壳体上部分7和壳体下部分8，其中，在壳体上部分7和壳体下部分8之间布置有环绕着旋转轴线4的第一密封元件29、尤其是O形环。在此，第一密封元件29引起对侧通道压缩机1的内室、尤其是压缩机室30的密封。压缩机轮2抗扭地布置在驱动轴9上并且被壳体上部分7和壳体下部分8包围。压缩机轮2具有内压缩机轮毂10，其中，压缩机轮毂10具有槽口，驱动轴9穿过该槽口插入，并且其中，压缩机轮毂10尤其借助压配合与驱动轴9连接。此外，压缩机轮毂10在背离旋转轴线4的一侧上被毂座12环绕地限界。压缩机轮2从毂座12向外远离旋转轴线4地形成环绕的圆形毂盘13。此外，压缩机轮2形成在外侧衔接到毂盘13上的输送腔28。压缩机轮2的该输送腔28环绕着旋转轴线4在壳体3的环绕的压缩机室30中延伸，其中，压缩机轮2和/或输送腔28在对应的外置周边上具有环绕的外限界环11，其中，外限界环11尤其将输送腔28在其外部的环绕着旋转轴线4的外径上限界。此外，壳体3、尤其是壳体上部分7和/或壳体下部分8在压缩机室30的区域中具有至少一个环绕的侧通道19。在此，侧通道19在壳体3中沿旋转轴线4的方向这样地延伸，使得该侧通道相对于输送腔28轴向地在单侧或双侧延伸。在此，侧通道19可以至少在壳体3的部分区域中环绕着旋转轴线4地延伸，其中，在壳体3中未构造有侧通道19的部分区域中，形成在壳体3中的中断区域15(参见图2)。

驱动轴9以一端部相对于旋转轴线4轴向地、至少以万向节方式与驱动装置6连接。在此，轴承27在驱动轴9的外径上轴向地位于驱动装置6和压缩机轮2之间、尤其驱动装置6和压缩机轮2的毂座12之间的区域中。驱动轴9相对于旋转轴线4轴向地在该驱动轴的背离驱动装置6的一侧上构造有轴承销36，其中，在轴承销36的区域中存在另一轴承27。在一个可能的实施方式中，输出轴9具有轴肩，这些轴肩在轴向方向上从该驱动轴的外径区域出发向两个轴端部延伸，在该外径区域上安装有压缩机轮2。与驱动轴9和压缩机轮2连接的、更大的轴直径区域相比，在对应的轴肩和对应的轴端部之间的区域中，驱动轴9的直径尤其变小。轴承27可以是滚动轴承27、尤其是滚珠轴承27。

驱动装置6可以在其表面上具有冷却肋33，所述冷却肋引起将热能改进地导出到周围环境中。热量这样地出现在驱动装置6中，使得通过驱动压缩机轮2产生过量热能，该过量热能尤其作为摩擦热或感应电磁热存在。该热量由于驱动装置6的冷却肋33可以更快地向周围环境导出，因为驱动装置由于冷却肋而具有增大的表面。驱动装置6与侧通道压缩机1的壳体3、尤其与壳体上部分7连接，其方式是：驱动装置6以至少一个端面相对于旋转轴线4轴向地贴靠在壳体3的端面上。在此，驱动装置6在组装时这样地对中到壳体3上，使得驱动装置6的外径区域尤其相对于旋转轴线4径向地贴靠到壳体3的内径区域上。在驱动装置6的外径区域和壳体3的内径区域之间可以安装有环绕的第二密封元件31、尤其是O形环，该O形环引起对侧通道压缩机1的内室和/或驱动装置6，尤其相对于外部污染或湿气的密封。

此外，壳体3构造有第一侧壁18和第二侧壁25，在所述第一侧壁和所述第二侧壁之间相对于旋转轴线4轴向地存在压缩机轮2的毂盘13。在此，第一侧壁18尤其位于壳体上部分7中，而第二侧壁25位于壳体下部分8中。此外，壳体3、尤其是壳体下部分8构造有气体进入开口14和气体排出开口16。在此，气体进入开口14和气体排出开口16尤其经由至少一个侧通道19相互流体连通。

转矩从驱动装置6通过压缩机轮毂10被传递到压缩机轮2上。在此，压缩机轮2被置于旋转运动中，并且输送腔28以环绕着旋转轴线4的旋转运动穿过壳体3中的压缩机室30沿流动方向26的方向运动(参见图2)。在此，已经位于压缩机室30中的气态介质被输送腔28携带运动并且在此被输送和/或压缩。此外，在输送腔28和至少一个侧通道19之间发生气态介质的运动、尤其是流动交换。此外，气态介质、尤其是来自燃料电池39的未消耗的再循环介质经由气体进入开口14流入到侧通道压缩机1的压缩机室30中和/或被供应给侧通道压缩机1和/或从位于气体进入开口14前面的区域被抽吸。在此，气态介质在完成通流之后通过侧通道压缩机1的气体排出开口16被导出并且尤其流向燃料电池系统37的喷射泵41。

图2示出侧通道压缩机1的在图1中以A-A标记的截面的放大视图，在该放大视图中示出壳体下部分8、气体进入开口14、气体排出开口16、中断区域15、侧通道19、(未示出的压缩机轮2的)旋转方向20和环绕的第一密封元件29。

如在图2所示的那样，中断区域15环绕着旋转轴线4地位于壳体3中、尤其位于气体进入开口14和气体排出开口16之间。气态介质被压缩机轮2输送和/或在此从气体进入开口14流到气体排出开口16并且在此至少部分地流过侧通道19。在此，随着从气体进入开口14沿旋转方向20到气体排出开口16的加剧的循环，气态介质的压缩和/或压力和/或流速在输送腔中、尤其在压缩机轮2的输送腔28中和在侧通道19中提高。由于中断区域15引起压力侧与抽吸侧的分离，其中，抽吸侧位于气体进入开口14的区域中，而压力侧位于气体排出开口16的区域中。

在图3中示出具有V形叶片5和输送腔28的压缩机轮2的侧视图。在此，压缩机轮2具有内限界环17，该内限界环径向向内地限界输送腔28的区域。此外，压缩机轮2具有环绕的外限界环11，该外限界环径向向外地限界输送腔28的区域。在此，内限界环17和外限界环11相对于旋转轴线4旋转对称地绕着压缩机轮2延伸。

在侧通道压缩机1的所示的实施例中，压缩机轮2具有多个V形叶片5，其中，各两个V形叶片5在旋转方向20上限界输送腔28。在此，叶片5在内限界环17的区域中具有沿旋转方向20向前的轮廓并且在外限界环11的区域中具有沿旋转方向20向后的轮廓。

图4示出压缩机轮2、尤其V形叶片5和输送腔28的在图3中以B-B标记的截面，所述输送腔具有逐渐变尖的第一导向轮廓38和逐渐变尖的第二导向轮廓40。在此示出，外限界环11这样地沿第一对称轴线22的方向形成第一导向轮廓38，使得第一导向轮廓38从外限界环11朝向旋转轴线4。此外，压缩机轮2沿第一对称轴线22方向在内限界环17的背离旋转轴线4的一侧上形成第二导向轮廓40。压缩机轮2沿对称轴线22方向在外限界环11的面向旋转轴线4的一侧上形成第二导向轮廓38。在此，两个导向轮廓38,40在第一对称轴线22的区域中逐渐变尖。在此，第一对称轴线22穿过两个导向轮廓38,40延伸并且居中地穿过V形叶片5的几何形状。

此外，V形叶片5具有输送腔28的至少一个开口32，其中，在侧通道压缩机1的在图4中所示的实施例中示出两个开口32a,b。在此，输送腔28相对于第一对称轴线22径向地具有两个开口32a,b。此外，示出气态介质穿过输送腔28的流动方向26。在此，气态介质尤其从侧通道19的区域穿过各开口32a,b流入到输送腔28中。在此，气态介质在下部区域中在输送腔28的面向内限界环17的一侧上相对于旋转轴线4轴向地流入到第二导向轮廓40上。由于逐渐变尖的第二导向轮廓40，气态介质沿第一对称轴线22的方向朝外限界环11偏转并且沿第一对称轴线22的方向从内限界环17的方向出发流向外限界环11。在流过输送腔28的部分区域之后，气态介质冲击到逐渐变尖的第一导向轮廓38上，其中，气态介质朝开口32a,b的方向偏转并且相对于旋转轴线4轴向地从输送腔28流出、尤其流到侧通道19的区域中。在此，气态介质被置于回转流动26中，该回转流动一方面在图4所示的平面内延伸，其中，该平面尤其由旋转轴线4和第一对称轴线22限定。然而，由于V形叶片5在所述平面外和沿旋转方向20的其它几何造型并且由于压缩机轮2绕着旋转轴线4的环绕运动，气态介质附加地被置于与图4所示的平面正交的运动中，其中，回转流动24沿旋转轴线4、第一对称轴线22和第二对称轴线50的方向(在图5中示出)形成。

此外，由于叶片5的V形地实施的轮廓可以实现气态介质流动的增加的涡旋变化，由此，由于在侧通道19和叶片5之间的回转流动24能够进一步提高侧通道压缩机1的输送和压缩效果并且因此能够提高总效率。

图5示出压缩机轮2和输送腔28、尤其叶片5的在图3中以C-C标记的截面与叶片几何形状和在侧通道19和输送腔28的区域中的回转流动24的示图，其中，在这里以俯视图示出压缩机室30。在此示出，叶片5在旋转方向20上分别具有对称的V形轮廓，其中，叶片5的对称V形轮廓在两个开口32a,b之间沿旋转轴线4的方向延伸，并且其中，对称的V形轮廓的张开侧指向压缩机轮2的旋转方向20。在此，叶片5的V形轮廓的对称性通过第二对称轴线50对称地镜像，其中，第二对称轴线50平行于压缩机轮2的旋转方向20并且与旋转轴线4正交地延伸。此外示出，侧通道19相对于第二对称轴线50在径向上，一方面被壳体下部分8限界并且另一方面被压缩机轮2的输送腔28的开口32a限界。然而，在图4中说明的、以其对应的尖端在该第二对称轴线50上延伸的导向轮廓38,40由于图5的立体视图而不能看到/示出。

一旦压缩机轮2借助驱动装置6从静止位置沿旋转方向20被置于旋转运动中，则叶片5的各端侧21将位于输送腔28中的气态介质、尤其是氢气沿旋转方向20从气体进入开口14的区域压向气体排出开口16的区域，其中，气态介质被加速和/或压缩。在此，气态介质一方面被各叶片5的端侧21沿旋转方向20压向前，并且另一方面由于两个导向轮廓38,40的几何形状被压离第二对称轴线50。在此，气态介质沿旋转方向20从输送腔28由第二对称轴线50被压到对应的侧通道19中，其中，气态介质被置于回转流动24中，并且其中，以一速度从输送腔28流出的气态介质在侧通道19中冲击到更缓慢流动的、尤其沿旋转方向20流动的气态介质上。在此，介质的尤其沿旋转方向20的该侧通道流动比介质的尤其沿旋转方向20的输送腔流动更缓慢，其中，由于引起的离心力差而产生从输送腔28中的介质作用到侧通道19中的介质上的力。在此，在两种介质之间发生动量交换，并且能量通过被置于回转流动24中的气态介质由于动量交换被传递到输送流上，其中，该输送流尤其涉及位于侧通道19中的静止的气态介质。在此，实现将动能转换为压力能。在此，能量传递在环绕的侧通道19的整个长度上发生多次并且取决于叶片5和输送腔28的数量。因此，在位于输送腔28中的气态介质和位于侧通道19中的气态介质之间能够实现大的能量传递，并且通过动量交换在周边上线性地建立压力。通过在图4中所示的、环绕的限界环11可以提高该能量传递和侧通道压缩的效应并且改善整个侧通道压缩机1的效率，因为现在防止，气态介质的大部分相对于旋转轴线4径向地从输送腔28向壳体3的以下部分流出，在该部分中未构造有侧通道19并且因此回转流动24的能量损失，因为气态介质在该区域、即不位于侧通道19中的区域中仅生成与壳体3的摩擦和热损失。这些损失可以通过具有外限界环11(参见图4)的侧通道压缩机1的实施方式被完全防止，由此，能够提高侧通道压缩机1的效率和输送功效。

此外示出，在至少两个叶片5的背离旋转方向20的各背侧23上分别构造有至少一个倒棱35，其中，所述至少一个倒棱35尤其在各叶片5的面向至少一个开口32a,b的端部上延伸。借助该倒棱35，尤其在已经被置于回转流动24中的气态介质再次流入、即从侧通道19回到输送腔28中时，能够改善侧通道压缩机1的流动特性。在气体介质从侧通道19再次流入到输送腔中时，在气态介质流经叶片5的背侧23和面向侧通道19的区域时发生涡流形成和/或流动分离。这是因为：在叶片5的背侧23和面向侧通道19的、构造有几乎直角的棱边的区域之间，气态介质的涡流形成和/或流动分离的出现概率提高，这又导致回转流动24和因此侧通道压缩机1的效率降低。这是因为：介质在流经几乎直角的棱边时、尤其在直角区域中必须完成很大的方向改变，由此有利于涡流形成和/或流动分离。通过在叶片5的背侧23上构造倒棱35减小棱边角度并且因此也减小流经介质的必要的方向改变，由此能够改善回转流动24和侧通道压缩机1的效率。

在根据本发明的具有至少一个侧通道19的侧通道压缩机1的构型中，还有利的是，在侧通道压缩机1失效时，即使当压缩机轮2静止，气态介质也可以流过侧通道19，因此不存在以下危险：通过燃料电池系统37的输送由于侧通道压缩机1失效而完全停顿。当在燃料电池系统中，尤其通过燃料电池系统的其它部件而保持待输送介质的高压和高输送率时，尤其是这种情况。

在图6示出压缩机室30的在图1中以II标记的局部，在此示出压缩机轮2，该压缩机轮在外限界环11的区域中具有至少一个环绕的外置环圈48a,b，该外置环圈相对于第一旋转轴线22轴向地延伸并且在外限界环11的面向旋转轴线4的一侧上延伸。此外，至少一个外置环圈48a,b相对于第一旋转轴线22轴向和/或径向地与壳体3的壳体上部分7和/或壳体下部分8贴靠。

此外，压缩机轮2在内限界环17的区域中具有至少一个环绕的内置环圈42a,b，该内置环圈尤其相对于旋转轴线4径向地延伸并且在内限界环17的面向旋转轴线4的一侧上延伸。此外，至少一个内置环圈42a,b相对于第一旋转轴线22轴向和/或径向地与壳体上部分7和/或壳体下部分8贴靠。

通过具有至少一个环绕的外置环圈48a,b和/或至少一个环绕的内置环圈42a,b的压缩机轮与壳体上部分7和/或壳体下部分8贴靠，在侧通道压缩机1运行期间例如由于燃料电池系统37中的压力峰值或出现的背压而产生强烈的冲击和撞击时，可以实现压缩机轮2在输送腔28的区域中改善的导向。由此可以减小轴承27和/或驱动装置6的负载，因为在侧通道压缩机1运行时出现的冲击力、轴向力和径向力的大部分已经能够通过各个环圈42a,b、48a,b被导出到壳体3中。

此外，在图6中示出，在外限界环11的背离旋转轴线4的一侧上构造有至少部分地密封的分离室34，其中，分离室34尤其相对于旋转轴线4在径向上位于外限界环11与壳体上部分7和/或壳体下部分8之间。此外，分离室34至少部分地环绕着旋转轴线4在壳体3和外限界环11之间形成。通过形成该分离室34能够将重组分从气态介质导出并且在该分离室34中聚集。因此，重组分从至少一个侧通道19和输送腔28的区域被导出并且在分离室34的区域中聚集。气态介质的这些重组分例如可以是来自燃料电池系统37运行的不希望的废弃产物和/或副产物，例如氮气或水。通过导出重组分可以提高侧通道压缩机1的输送和压缩作用，因为待输送的气态介质、尤其是氢气的比重在输送腔28和侧通道19中提高，该待输送的气态介质需要用于例如在燃料电池39中产生电流。由此能够提高侧通道压缩机1的效率，因为不必一起输送对于运行不希望的重组分。

此外，在图6中还示出，在内限界环17的面向旋转轴线4的一侧上形成至少一个至少部分地密封的区域44a,b，其中，至少一个密封的区域44a,b位于至少一个环绕的外置环圈42a,b与壳体上部分7和/或壳体下部分8之间。在此有利的是，通过至少一个环圈42a，b防止，气态介质从侧通道19、输送腔28和分离室34的区域侵入到密封区域44a,b中。由此进一步防止，位于密封区域44中的构件驱动装置6和/或轴承27和/或驱动轴9被损坏。在电驱动装置6的情况下，重组分水或氢气的侵入可能导致短路和/或导致驱动装置6的电或软磁构件的损坏。这可能限制整个侧通道压缩机1的运行并且甚至导致失效。

图7示出密封的分离室34的在图6中以III标记的局部。在此示出气态介质的重组分以哪种路径和以哪种方式从至少一个侧通道19和/或输送腔28的区域被导出并且被供应给分离室34的区域。

此外，在图7中还示出，导出通道46在密封的分离室34的背离旋转轴线4的一侧上位于壳体上部分7中和/或壳体下部分8中和/或在壳体上部分7中和壳体下部分8之间。在此，导出通道46尤其沿重力作用方向布置在最低点处、尤其在壳体3中的测地学上的最低点处。在侧通道压缩机1运行时，在侧通道19和/或输送腔28的区域中可能由于气态介质的凝结而形成液态水。在此，由于压缩机轮2和输送腔28的旋转，水和/或其它重组分、例如氮气与气态介质一起沿旋转方向20的方向被加速并且被置于运动中。在此，与气态介质相比，更大的离心力相对于旋转轴线4径向地作用到水上，由此发生离心力分离，并且水沿流出方向V从侧通道19穿过壳体3和压缩机轮2的外置环圈48a,b之间运动到分离室34。除重组分水外，其它重组分、例如氮气也可以被导出。有利地，附加的导出通道46位于分离室34的测地学上的最低点处，该附加的导出通道又可以衔接到燃料电池系统37的水分离器上，以便因此将液态水从侧通道压缩机1导出。

在此有利的是，仅通过重力和/或离心力对气态介质的聚集在分离室34中的重组分的作用实现通过导出通道46向外的自动导出，而不采取另外的措施、例如机械式泵出。重组分通过导出通道46向外自动导出的效果通过以下方式被增强：在侧通道压缩机1运行时，重组分还溢流到分离室34中，并且由此将已经存在的重组分通过导出通道46压出。

此外，这提供以下优点：重组分一方面可以从输送腔28和侧通道19的区域被导出，而另一方面也可以从分离室34的区域经由导出通道46从燃料电池系统37被导出。由此，防止旋转构件、尤其是压缩机轮2或轴承27损坏的风险，因为残留的重组分、例如水在燃料电池系统37关闭的状态下并且在周围环境温度低时导致冰桥形成，该冰桥形成能够在启动侧通道压缩机1时损坏这些构件。通过将重组分经由导出通道46导出来防止该损坏。此外，还实现以下优点：通过将重组分如液态水，尤其从压缩机室的区域导出，防止在燃料电池系统的关闭状态下并且在周围环境温度低时在可运动零件、尤其是压缩机轮和壳体之间形成所谓的冰桥。这种冰桥将使燃料电池系统、尤其是侧通道压缩机的启动变得困难或完全阻止该启动。因此，通过根据本发明的侧通道压缩机的构型可以防止由于冰桥形成而对侧通道压缩机的旋转零件和/或驱动装置、尤其是电驱动装置的损坏。由此，即使在停用时间长并且外部温度低、尤其低于0°摄氏度的情况下也可以确保侧通道压缩机的可靠的冷启动性能。

本发明不局限于在此说明的实施例和在此突出的方面。而是，在由权利要求给定的范围内可以实现多个变型方案，这些变型方案在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池系统(37)的侧通道压缩机(1)，用于输送和/或压缩气体、尤其是氢气，所述侧通道压缩机具有：

-壳体(3)，其中，所述壳体(3)具有壳体上部分(7)和壳体下部分(8)；

-位于所述壳体(3)中的压缩机室(30)，所述压缩机室具有环绕的至少一个侧通道(19)；

-位于所述壳体(3)中的压缩机轮(2)，所述压缩机轮以能够绕着旋转轴线(4)旋转的方式布置，其中，所述压缩机轮(2)在其周边上具有布置在所述压缩机室(30)的区域中的叶片(5)；

-分别构造在所述壳体(3)上的气体进入开口(14)和气体排出开口(16)，所述气体进入开口和所述气体排出开口经由所述压缩机室(30)、尤其所述至少一个侧通道(19)相互流体连通，

其特征在于，所述压缩机轮(2)在其周边上具有环绕的外限界环(11)，所述外限界环相对于所述旋转轴线(4)旋转对称地绕着所述压缩机轮(2)延伸。

2.根据权利要求1所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述压缩机轮(2)在所述压缩机室(30)的区域中在各两个相邻的叶片(5)之间分别构造有输送腔(28)，所述输送腔相对于所述旋转轴线(4)径向向外地被所述外限界环(11)限界并且径向向内地被所述压缩机轮(2)的环绕的内限界环(17)限界，其中，所述输送腔(28)沿所述旋转轴线(4)的方向具有至少一个开口(32a,b)。

3.根据权利要求2所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述至少一个开口(32a,b)构造在所述压缩机轮(2)的输送腔(28)的面向所述壳体(3)的至少一个侧通道(19)的侧面上。

4.根据权利要求1至3之一所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，至少两个叶片(5)在所述外限界环(11)的面向所述旋转轴线(4)的一侧上具有在横截面上逐渐变尖的第一导向轮廓(38)和/或在所述内限界环(17)的背离所述旋转轴线(4)的一侧上具有在横截面上逐渐变尖的第二导向轮廓(40)，其中，所述第一对称轴线(22)穿过两个导向轮廓(38,40)的对应的尖端延伸。

5.根据权利要求2至4之一所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，至少两个叶片(5)分别具有对称的V形轮廓，其中，所述对称的V形轮廓在两个开口(32a,b)之间沿所述旋转轴线的方向延伸，并且其中，所述对称的V形轮廓的张开侧指向所述压缩机轮(5)的旋转方向(20)。

6.根据权利要求5所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，在所述至少两个叶片(5)的背离所述旋转方向(20)的各背侧(23)上分别构造有至少一个倒棱(35)，其中，所述至少一个倒棱(35)尤其在各叶片(5)的面向所述至少一个开口(32a,b)的端部上延伸。

7.根据权利要求4所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述压缩机轮(2)在所述外限界环(11)上具有至少一个环绕的外置环圈(48a,b)，所述外置环圈尤其相对于所述旋转轴线(4)径向地延伸，并且其中，所述外置环圈(48a,b)在所述外限界环(11)的背离所述旋转轴线(4)的一侧上延伸。

8.根据权利要求7所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述至少一个外置环圈(48a,b)相对于所述旋转轴线(4)轴向和/或径向地与所述壳体上部分(7)和/或所述壳体下部分(8)贴靠。

9.根据权利要求4所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述压缩机轮(2)在所述内限界环(17)上具有至少一个环绕的内置环圈(42a,b)，所述内置环圈尤其相对于所述旋转轴线(4)径向地延伸并且所述内置环圈在所述内限界环(17)的面向所述旋转轴线(4)的一侧上延伸。

10.根据权利要求9所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述至少一个内置环圈(42a,b)相对于所述旋转轴线(4)轴向和/或径向地与所述壳体上部分(7)和/或所述壳体下部分(8)贴靠。

11.根据权利要求1所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，在所述外限界环(11)的背离所述旋转轴线(4)的一侧上形成至少部分地密封的分离室(34)，其中，所述分离室(34)尤其相对于所述旋转轴线(4)在径向上位于所述外限界环(11)与所述壳体上部分(7)和/或所述壳体下部分(8)之间。

12.根据权利要求11所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，导出通道(46)在密封的分离室(34)的背离所述旋转轴线(4)的一侧上位于所述壳体上部分(7)中和/或所述壳体下部分(8)中和/或所述壳体上部分(7)与所述壳体下部分(8)之间并且至少部分地环绕着所述旋转轴线(4)地在所述壳体(3)和所述外限界环(11)之间延伸。

13.根据权利要求12所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述导出通道(46)在所述壳体上部分(7)中和/或所述壳体下部分(8)中和/或所述壳体上部分(7)与所述壳体下部分(8)之间尤其在重力作用方向上位于最低点处。

14.根据权利要求9所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，在内限界环(17)的面向所述旋转轴线(4)的一侧上形成至少一个至少部分地密封的区域(44)，其中，所述至少一个密封的区域(44)尤其位于所述至少一个内置环圈(42)与所述壳体上部分(7)和/或所述壳体下部(8)之间。

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