CN111094753A - 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。根据本发明，所述压缩机轮(2)在此具有至少一个连接孔(21)，所述连接孔相对于所述旋转轴线(4)径向地穿过所述叶片(5)中的至少一个叶片延伸并且将所述侧通道压缩机(1)的内室(44)与分离室(34)连接。

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驱动装置、尤其电驱动装置实现，该电驱动装置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，压缩机轮具有旋转的内限界环，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相对于旋转轴线轴向或径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。在燃料电池系统中使用侧通道压缩机，尤其作为再循环增压器的情况下，在侧通道压缩机的内室中可能出现尤其由于气态介质的凝结而引起的液态水的形成。在燃料电池系统在车辆中关闭的状态下，所述水在周围环境温度低时沉积在系统的管路上，但也沉积在侧通道压缩机的旋转零件如轴承、轴或压缩机轮上。在车辆启动和因此燃料电池组件启动时，这在过大的冰桥形成(Eisbrückenbildung)的情况下可能导致驱动装置的卡住，由此能够损坏旋转零件、尤其是压缩机轮和/或使系统的启动变得困难或者说延迟或者完全阻止系统的启动。

此外，在水和来自气态介质的其它重组分、例如氮气凝结时可能导致，这些组分在侧通道压缩机的内室中聚集并且进一步侵入到侧通道压缩机的内置区域中并且损坏位于该内置区域中的构件。这尤其适用于对液体进入敏感的构件如驱动轴、轴承和尤其呈电驱动装置形式的驱动装置。

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，使得压缩机轮具有至少一个连接孔，该连接孔相对于旋转轴线径向地穿过至少一个叶片延伸并且将侧通道压缩机的内室与分离室连接。以这种方式可以将待输送的气态介质的凝结出的重组分相对于旋转轴线径向地引导到侧通道压缩机的外置区域中、尤其分离室中，所述凝结出的重组分已经聚集在侧通道压缩机的内室的区域中。此外，由于连接孔相对于旋转轴线径向的几何布置，在压缩机轮旋转时，离心力作用到待输送的气态介质的重的重组分上，并且所述重组分自动地穿过连接孔被运送到分离室的区域中。为此不需要对侧通道压缩机的其它结构设计上的措施，例如使用泵用于在内室中产生过压或在分离室中产生负压。这提供以下优点：可以节省用于其它构件、例如泵的构件和装配成本。此外，通过主动且自主地从侧通道压缩机的内室导出重组分、例如水和/或氮气能够防止内置构件和旋转构件、例如压缩机轮的损坏。由此可以减小压缩机轮和/或驱动装置的失效概率，由此能够提高整个侧通道压缩机的使用寿命。

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。

根据一个有利构型，压缩机轮在压缩机室的区域中在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压缩机轮的环绕的外限界环限界并且径向向内地被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，外限界环和内限界环绕着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、尤其是回转流动相对于旋转轴线仅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。此外，可以减小气态介质由于摩擦而引起的不希望的温度升高。

根据一个特别有利的构型，连接孔完全穿过压缩机轮的对应叶片地延伸，其中，连接孔尤其完全被叶片的材料包围。以这种方式防止，重组分在流过连接孔时能够逸出到输送腔或侧通道的区域中，这将对压缩和输送过程产生不利影响，因为被供应的重组分能够在侧通道和/或输送腔的区域中减小侧通道压缩机的效率并且因此输送更少的氢气。相反地，重组分在通过连接孔的几何实施形状被导出时有效地被输送腔和侧通道密封，所述连接孔完全被叶片的材料包围。因此，这些组分通过根据本发明的连接孔构型这样地从内室被引导至分离室，使得在将重组分从内室导出时防止从连接孔到至少一个环绕的侧通道和/或输送腔的区域中的泄漏。通过有效地导出侧通道压缩机和/或燃料电池系统中的不希望且不利的重组分，一方面能够至少保持或甚至还提高侧通道压缩机的高效率。另一方面，能够提高整个燃料电池系统的效率，因为不希望的重组分、例如水或氮气可以在其出现之后、例如在燃料电池中进行的电流产生过程之后已经提前从燃料电池系统被导出。

根据一个有利的扩展方案，输送腔和/或至少一个侧通道的区域被内室至少部分地密封。在此，内室尤其相对于旋转轴线在径向上位于内限界环和旋转轴线之间。此外，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在内限界环的面向旋转轴线的一侧上延伸。在此，通过至少一个环绕的内置环圈实现输送腔和/或至少一个侧通道区域与内室的至少部分的密封。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，例如可以提高轴承、驱动轴或位于侧通道压缩机的内室中的其它构件的使用寿命。这是因为：通过密封防止尤其由于通过与水接触而引起的腐蚀对构件的损坏。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室中或邻接在该内室的区域中，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。

根据一个有利构型，输送腔和/或至少一个侧通道的区域与分离室至少部分地密封，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。以这种方式能够实现，在气体介质中的重组分凝结或形成时，这些组分能够从输送腔和/或至少一个侧通道的区域被导出到分离室中。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和/或输送腔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中。在此，重组分的流出仅在压缩机轮旋转时是可能的并且也仅沿一个方向、尤其从输送腔和/或侧通道朝分离室的方向。由于壳体和压缩机轮、尤其是外置环圈之间的缝隙宽度而不会回流。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，也能够提高侧通道压缩机的功效和效率，因为重组分、尤其是水和/或氮气，尤其与氢气相比、尤其在侧通道压缩机启动时，在通过侧通道压缩机进行输送和/或压缩时意味着更高的能量消耗。

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/或输送腔相对于壳体中的外部区域、尤其相对于分离室至少部分地密封。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二对称轴线轴向和/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，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。此外，至少一个环绕的外置环圈也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。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：侧通道压缩机和/或燃料电池系统能够在整个使用寿命上保持提高的效率。此外，实现以下优点：通过将重组分如液态水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(Eisbrücken)。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。

根据一个有利的扩展方案，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测地学上的最低点处。在此，导出通道尤其相对于旋转轴线成一角度倾斜地延伸。以这种方式能够实现以下优点：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。

因为导出通道相对于旋转轴线成一角度倾斜地延伸，能够实现以下优点：侧通道压缩机在燃料电池系统和/或在车辆中的安装位置能够以一锥形的角度范围适配用户的要求。在此，导出通道平行于重力作用方向的定向可以然后补充地在侧通道压缩机的壳体中，尤其离开分离室地通过将导出通道这样地引入到壳体中来适配。这提供以下优点：借助相同的侧通道压缩机能够满足尤其在不同的燃料电池系统和/或车辆中的安装位置的较大变化，其方式是：仅通过将导出通道在特定角度下引入到壳体中能够实现变化适配。

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5根据本发明的侧通道压缩机的在图1中以II标记的局部，

图6压缩机室的在图5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。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的密封元件31、尤其是O形环。在此，密封元件31引起对侧通道压缩机1的压缩机室30，尤其相对于外部污染或湿气的密封。此外，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，内压缩机轮毂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，在图1中在输送腔28的区域中可看到叶片5的截面轮廓。该叶片5在压缩机轮2的旋转方向20(参见图2)上具有V形轮廓，其中，叶片5还在环绕的内限界环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。此外，这还在下面的图3和图4中详细地示出和说明。此外，输送腔28在对应的内置周边上具有环绕的内限界环11，该内限界环将输送腔28在其内部的环绕着旋转轴线4的内径上限界。此外，在旋转方向20上，各个输送腔28还被两个叶片5限界，其中，多个叶片5环绕着旋转轴线4在压缩机轮2上相对于旋转轴线4径向地布置在内限界环17和外限界环11之间。

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以端部区段23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(未明确示出)连接。在此，驱动装置6、尤其是电驱动装置6可以用作压缩机轮2的旋转驱动装置6。此外，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。

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尤其位于壳体下部分8中，而第二侧壁25位于壳体上部分7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通过驱动轴和压缩机轮毂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沿旋转方向20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，侧通道压缩机1经由气体进入开口14和气体排出开口16与燃料电池系统37连接，其中，气态介质、尤其是来自燃料电池的未消耗的再循环介质经由气体进入开口14进入到侧通道压缩机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被导出并且尤其沿流出方向41流向燃料电池系统37。

此外，在图1中示出，导出通道46位于壳体3中。在侧通道压缩机1的所示的实施例中，该导出通道46相对于旋转轴线4成一倾斜角度地布置在壳体上部分7中。然而，在侧通道压缩机1的另一实施例中，导出通道46可以位于壳体下部分8中或位于壳体上部分7和壳体下部分8之间。

此外，在图1中示出，在内限界环17的面向旋转轴线4的一侧上存在至少部分密封的内室44。该密封的内室44位于壳体3中、尤其位于旋转轴线4和压缩机室30之间的环绕区域中。在此，输送腔28和/或至少一个侧通道19的区域还与内室44至少部分地密封，其中，内室44尤其相对于旋转轴线4在径向上位于内限界环17和旋转轴线4之间。在此，构件轴承27、压缩机轮2的毂盘13和至少部分的驱动轴9位于壳体3的内室44中。

此外，在图1中示出，气态介质沿流入方向39、例如从燃料电池堆流入到侧通道压缩机1中。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。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被导出并且沿流出方向41、尤其朝燃料电池系统37的喷射泵方向流出。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。

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和环绕的密封元件31。

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通过环绕的外限界环11构造为封闭的压缩机轮2。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一对称轴线50对称地镜像，其中，第一对称轴线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相对于第一对称轴线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。

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38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38沿旋转方向20压向前，并且另一方面由于叶片的几何形状、尤其借助两个导向轮廓被压离第一对称轴线50。在此，气态介质沿旋转方向20从输送腔28由第一对称轴线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中冲击到静止的气态介质上。在此，气态介质沿流动方向26流动。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3)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40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40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40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：在叶片的背侧40上形成气态介质几乎静止并且具有低压力的区域，而在叶片5的面向侧通道19的端面上形成气态介质具有高流速和高压力的区域。通过构造倒棱35可以减小该负面效应，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。

在图5中示出根据本发明的侧通道压缩机1的在图1中以II标记的局部，该侧通道压缩机具有压缩机轮2、壳体上部分7和壳体下部分8。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和/或在压缩机轮2中延伸。

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，该内置环圈尤其至少近似地相对于旋转轴线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相对于旋转轴线4轴向和/或径向地与壳体上部分7和/或壳体下部分8贴靠。在外限界环11的区域中，压缩机轮2具有至少一个环绕的外置环圈48a，b，该外置环圈尤其至少近似地相对于旋转轴线4径向地延伸并且在外限界环11的背离旋转轴线4的一侧上延伸。在此有利的是，通过外限界环11和/或至少一个环圈48a,b防止，气态介质连同出现的重组分从分离室34的区域运动到侧通道19和/或输送腔28的区域中并且因此实现至少部分的密封。由此还防止，气态介质连同出现的重组分可能侵入到侧通道压缩机1的内室44中并且因此损坏构件驱动装置6和/或轴承27和/或驱动轴9。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。

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2与壳体上部分7和/或壳体下部分8贴靠，可以实现压缩机轮2在壳体3中、尤其是在输送腔28的区域中改善的导向。这在侧通道压缩机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出现冲击和撞击时是有利的。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5中示出，压缩机轮2具有连接孔21，该连接孔相对于旋转轴线4径向地穿过至少一个叶片5延伸。此外示出第二对称轴线22，该第二对称轴线与旋转轴线4正交地并且对称地居中穿过叶片5的截面几何形状延伸，其中，第二对称轴线22尤其构成截面几何形状的镜像轴线。在此，连接孔21相对于旋转轴线4径向地延伸并且将内室44与至少部分密封的分离室34连接。在此，连接孔21相对于第二对称轴线22轴向地延伸，其中，第二对称轴线22尤其构成连接孔21的中心线。

被密封的分离室34位于外限界环11的背离旋转轴线4的一侧上，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。此外，基于根据本发明的具有径向连接孔21的侧通道压缩机1的实施方式，可能已经侵入到侧通道压缩机1的内室44的区域中的气态介质和/或该气态介质的重组分能够从内室44被导出到分离室34。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，例如氮气和水。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堆中产生电流。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，通过连接孔21作为相对于旋转轴线4径向地并且穿过压缩机轮2的叶片5中的至少一个延伸的连接孔21的布置可以在导出重组分时利用离心力效应。该离心力效应在压缩机轮2旋转时产生，其中，离心力径向地从旋转轴线4向外指向并且在此由于待输送的气态介质的重组分的自重而引起。在此，位于侧通道压缩机的内室44中的重组分由于离心力而穿过连接孔21从内室44被挤到分离室34。此外，连接孔21完全穿过压缩机轮2的各叶片5延伸并且在此完全被叶片5的材料包围。

在此有利的是，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向外的自主导出，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由于重力和/或离心力而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。由此降低旋转构件、尤其是压缩机轮2或轴承27损坏的风险。该损坏能够通过以下方式导致：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，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5中所示的实施例中示出两个开口32a,b。在此，输送腔28相对于第二对称轴线22径向地具有两个开口32a,b。此外，在图5中示出，视压缩机轮2沿旋转方向20的旋转位置而定，气体进入开口14或气体排出开口16可以分别位于输送腔28的开口32a,b的区域中。

此外，在图5中示出，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在壳体上部分7中和/或壳体下部分8中和/或在壳体上部分7与壳体下部分8之间尤其沿重力作用方向布置在测地学上的最低点处，其中，导出通道46尤其相对于旋转轴线4成一角度倾斜地延伸。

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，由于在不同车辆和不同应用中的要求变化，侧通道压缩机1在车辆中的安装位置应最大程度上是不重要的，因为导出通道46的位置和走势可以几乎自由地被这样引入到壳体3中，使得导出通道46始终在重力作用方向上延伸。由此确保，尤其在不同的燃料电池系统37和/或车辆和/或用户中能够满足安装位置的尽可能最大的变化，其方式是：仅通过将导出通道46在特定角度下引入到壳体3中实现变化适配。然而，在此必须在制造和装配之前已知侧通道压缩机1在车辆中的精确安装位置，因为导出通道46在装配侧通道压缩机1的构件之前已经机械地被引入到壳体3中。此外，在侧通道压缩机1中的导出通道46的延伸区域中和侧通道压缩机在燃料电池系统37上的构件外围中不允许设置功能元件或构件、例如在侧通道压缩机的壳体3中的其它通道，所述其它通道将被导出通道46的延伸区域妨碍。在此，导出通道46在壳体3中的位置和矢量和/或走势能够以两种方式被这样地适配，使得在得到侧通道压缩机的安装位置的尽可能最大的变化同时，导出通道46的走势，与侧通道压缩机1的安装位置无关地，继续在重力作用方向上延伸：一方面，视分离室34如何完全环绕着旋转轴线4在壳体3和外限界环11之间形成而定，导出通道46可以在壳体3中环绕着旋转轴线4几乎自由地定位在密封的分离室34上。另一方面，相对于旋转轴线4的角度可以布置在近似0°至180°的角度范围内、尤其在30°至150°的范围内，导出通道46以该角度离开分离室34穿过壳体3延伸。

图6示出压缩机室30与压缩机轮2和壳体3的在图5中以III标记的局部。在此，壳体3可以或者构造为壳体上部分7或者构造为壳体下部分8。此外，示出侧通道19和输送腔28的区域，这些区域在壳体3和压缩机轮2之间形成。此外，示出分离室34，该分离室在压缩机轮2的外限界环11和壳体3之间形成。

在此，在图6中示出，侧通道19和/或输送腔28的区域尤其借助外限界环11和/或至少一个外置环圈48至少部分地与分离室34密封。基于该至少部分的密封防止，聚集的重组分能够从在壳体3和压缩机轮2之间的分离室34流到、尤其流回到侧通道19或输送腔28的区域中。然而，如在图6中所示的那样，沿另一方向、尤其沿流出方向V的至少受限的流出是可能的，其中，重组分从侧通道19和/或输送腔28的区域穿过压缩机轮2、尤其是外置环圈48a,b和壳体3之间流到分离室34。在此，仅重组分沿流出方向V从侧通道19和/或输送腔28向分离室34流出，因为该流出由于在侧通道压缩机1运行并且压缩机轮2旋转时的离心力而发生。在此，离心力仅对气体介质的重组分产生足够大的作用，而对较轻的氢气不产生作用，以便将该重组分沿流出方向V穿过壳体3和压缩机轮2之间的缝隙压向分离室34。在此，重组分由于压缩机轮2的旋转运动有利地，穿过压缩机轮2的环绕的外置环圈48和壳体3之间流向分离室，因为在这里在外置环圈48和壳体3之间存在相对运动。然而，因为该离心力不作用到分离室34的区域中的重组分上，因为这些重组分不处于运动、尤其是旋转运动中并且分离室34相对于旋转轴线4在径向上位于侧通道19和/或输送腔28外，所以防止从分离室34到至少一个侧通道19和/或输送腔28中的回流。重组分从输送腔28和/或侧通道19的区域流出由于压缩机轮2和壳体3之间的缝隙宽度在侧通道压缩机1未激活时、尤其在压缩机轮2静止时是不可能的，因为在该状态下没有离心力或仅非常小的离心力作用到重组分上。

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 (11)

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)；和

-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)具有至少一个连接孔(21)，所述连接孔相对于所述旋转轴线(4)径向地穿过所述叶片(5)中的至少一个叶片延伸，并且，所述连接孔将所述侧通道压缩机(1)的内室(44)与分离室(34)连接。

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)径向向外地被环绕的外限界环(11)限界并且径向向内地被环绕的内限界环(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)，其中，所述外限界环和所述内限界环(11,17)分别相对于所述旋转轴线(4)旋转对称地延伸。

3.根据权利要求1所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述连接孔(21)完全穿过所述压缩机轮(2)的对应叶片(5)地延伸，其中，所述连接孔(21)尤其完全被所述叶片(5)的材料包围。

4.根据权利要求1或2所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述输送腔(28)和/或所述至少一个侧通道(19)的区域与所述内室(44)至少部分地密封，其中，所述内室(44)尤其相对于所述旋转轴线(4)在径向上位于所述内限界环(17)和所述旋转轴线(4)之间。

5.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)径向地延伸并且在所述内限界环(17)的面向所述旋转轴线(4)的一侧上延伸，其中，通过所述至少一个环绕的内置环圈(42a,b)实现所述输送腔(28)和/或所述至少一个侧通道(19)与所述内室(44)的至少部分的密封。

6.根据权利要求2所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述输送腔(28)和/或所述至少一个侧通道(19)的区域与所述分离室(34)至少部分地密封，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。

7.根据权利要求6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)的区域中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，其中，至少一个环绕的环圈(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，并且其中，通过所述至少一个环圈(48a,b)实现所述输送腔(28)和/或所述至少一个侧通道(19)的区域与所述分离室(34)的至少部分的密封。

8.根据权利要求5所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述至少一个环绕的内置环圈(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。

9.根据权利要求8所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，所述至少一个环绕的外置环圈(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。

10.根据权利要求1所述的侧通道压缩机(1)，其特征在于，导出通道(46)在所述分离室(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。

11.根据权利要求10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/或在所述壳体下部分(8)中和/或在所述壳体上部分(7)与所述壳体下部分(8)之间尤其在重力作用方向上位于测地学上的最低点处，其中，所述导出通道(46)尤其相对于所述旋转轴线(4)成一角度倾斜地延伸。

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