DE10140456A1 - Aussenschalenkonstruktion eines Scrollkompressors für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Es wird ein Scrollkompressor für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, der nur wenig schwingt und kompakte Abmessungen aufweist. Der Scrollkompressor umfaßt ein vorderes Gehäuse, welches einstückig mit einer feststehenden Spirale ausgebildet ist, ein mit dem vorderen Gehäuse verbundenes mittleres Gehäuse, welches als einteilige Konstruktion ausgebildet ist und mindestens einen Teil eines Antriebskurbelmechanismus und einen Teil eines Antriebsmotors bedeckt, und ein hinteres Gehäuse, welches mit dem mittleren Gehäuse verbunden ist und die hintere Seite des Antriebsmotors bedeckt. Das vordere Gehäuse, das mittlere Gehäuse und das hintere Gehäuse bilden eine Außenschale des Kompressors. Das mittlere Gehäuse, welches als eine einteilige Konstruktion ausgebildet ist, leistet einen wesentlichen Beitrag dazu, die Steifigkeit insgesamt gesehen zu erhöhen und unterdrückt die Schwingungen des Scrollkompressors für eine Brennstoffzelle.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Scrollkompressor zum Zuführen eines komprimierten Gases (komprimierten Wasserstoff, komprimierte Luft oder komprimierten Sauerstoff) zu einer Brennstoffzelle. Im besonde­ ren betrifft die Erfindung einen Scrollkompressor für eine Brennstoff­ zelle, der kompakt in seinen Abmessungen ist und Schwingungen im Betrieb unterdrückt.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein Scrollkompressor, der eine Bauart von Kompressoren darstellt, hat im Vergleich mit anderen Kompressoren einen hohen Wirkungsgrad und eine kurze axiale Länge, und findet nun breite Anwendung auf dem Gebiet der Klimageräte für den Hausgebrauch, der Klimageräte für Fahrzeuge und dergleichen. In jüngerer Zeit haben Scrollkompressoren auch zu dem Zweck Verwendung gefunden, ein komprimiertes Gas, wie Luft (Sauerstoff) oder Wasserstoff (im folgenden der Einfachheit halber als "Luft" oder "Luft und dergleichen" bezeichnet) der Elektrode einer Brennstoffzelle (Wasserstoff-Sauerstoff-Typ) zuzuführen.

Allgemein verlangt eine Brennstoffzelle aber große Mengen an Luft und dergleichen. Wenn also die Luft und dergleichen der Brennstoffzelle unter Verwendung eines Scrollkompressors zugeführt werden soll, dann muß dessen Förderstrom sehr groß sein, wodurch es notwendig wird, einen Scrollkompressor mit großen Abmessungen zu verwenden oder den Scrollkompressor mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben.

Wenn nun aber die Brennstoffzelle in einem Elektrofahrzeug und der­ gleichen angeordnet werden soll, ist es wünschenswert, den Scroll­ kompressor für die Brennstoffzelle in seinen Abmessungen so kompakt wie nur möglich zu machen, insbesondere ist es wünschenswert, sei­ nen Durchmesser zu verringern. Auch dann, wenn die Brennstoffzellen zur Installation und zum Gebrauch in Wohnhäusern gedacht sind, ist es wünschenswert, sie so kompakt wie möglich zu machen.

Weiter haben Schwingungen die Neigung, mit zunehmender Betriebs­ geschwindigkeit anzuwachsen. Wenn man die Schwingungen, insbe­ sondere die Schwingungen, die in der Nähe der Resonanzfrequenz lie­ gen, verringern könnte, dann könnte man mit geringerem Verstär­ kungs- oder Versteifungsaufwand auskommen und die Montagehalte­ rungen und dergleichen Teile könnten in Leicht- und Kompaktbauweise ausgeführt werden. Daraus folgt, daß eine Verringerung der Schwin­ gungen des Scrollkompressors dazu führt, daß der Scrollkompressor mit kompakten Abmessungen realisiert werden kann.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die im vorstehenden erwähnten Gegebenheiten vollendet, und ihre Aufgabe liegt in der Be­ reitstellung eines Scrollkompressors für eine Brennstoffzelle, der sich durch verringerte Schwingungen und kompakte Bauweise auszeichnet.

Zur Lösung der im vorstehenden erwähnten Probleme haben die Erfin­ der nach einer für den Scrollkompressor geeigneten Gehäusekonstruk­ tion gesucht, unter genauer Untersuchung der Schwingungen. Die Fig. 3 und 4 illustrieren ein Untersuchungsbeispiel. Ein in Fig. 3 ge­ zeigter Scrollkompressor 200 umfaßt einen Kompressionsmechanismu­ steil A mit einer feststehenden Spirale 210 und einer beweglichen Spi­ rale 220, einen Kurbelmechanismusteil B mit einem Kurbelzap­ fen 231a, der an einer Motorwelle 231 vorgesehen ist, und zwar so, daß er exzentrisch zu der Motorwelle 231 angeordnet ist, um die be­ wegliche Spirale 220 in Umlauf zu versetzen, und einen Antriebsmo­ torteil C, der im wesentlichen durch einen Motor zum Drehen der Mo­ torwelle 231 gebildet wird.

Die Gehäusekonstruktion ist eine vierfach geteilte Ausführung, mit ei­ nem vorderen Gehäuse, welches einstückig mit der feststehende Spi­ rale 210 ausgeführt ist, einem Kurbelgehäuse 270, welches den Kur­ belmechanismusteil B abdeckt, einem Motorgehäuse 280, welches den Antriebsmotorteil C abdeckt, und einem hinteren Gehäuse 290, wel­ ches die hintere Seite des Antriebsmotorteils C abdeckt. Diese Gehäu­ seteile sind mit Hilfe von Schrauben zusammengefügt.

Fig. 4 zeigt das Resultat der Analyse der Schwingung nahe einer Reso­ nanzfrequenz des Scrollkompressors 200 (das Analyseverfahren wird später beschrieben). Wie aus Fig. 4 erkennbar, wird die Beschleuni­ gungsabweichung sehr groß im Kompressionsmechanismusteil A, der eine Resonanzquelle darstellt. Weiter wird die Beschleunigung groß in der Nähe der Verbindungsstelle zwischen dem Kurbelgehäuse 270 und dem Motorgehäuse 280. Dadurch negativ beeinflußt, wird auch die Be­ schleunigungsabweichung im Antriebsmotorteil C wieder größer. Es ergibt sich daraus, daß der Scrollkompressor als Ganzes in deutlich er­ kennbarem Maße schwingt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Ergebnis der Trial-and-error-Methode auf der Grundlage intensiver Untersuchungen und Experimente sind die Erfinder dazu gelangt, das Gehäuse zwischen dem Kurbelmechanismusteil und dem Antriebsmo­ torteil - an Stelle der geteilten Konstruktion - als einteilige Konstrukti­ on auszuführen, und haben den erfindungsgemäßen Scrollkompressor für eine Brennstoffzelle entwickelt.

Das heißt, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Scrollkom­ pressor für eine Brennstoffzelle, welcher umfaßt: eine feststehende Spirale mit einem feststehenden Basisplattenbereich und einem auf dem feststehenden Basisplattenbereich stehenden feststehenden Spi­ ralwandbereich, eine bewegliche Spirale, welche einen beweglichen Basisplattenbereich und einen auf der beweglichen Basisplatte stehen­ den beweglichen Spiralwandbereich aufweist und mit der festste­ henden Spirale in Eingriff steht, einen Antriebsmotor mit einer Motor­ welle, einen Antriebskurbelmechanismus, der in Verbindung mit der Motorwelle dazu vorgesehen ist, die bewegliche Spirale in Umlauf zu versetzen, wobei die feststehende Spirale und die bewegliche Spirale einen Kompressionsraum bilden, um ein Gas zu komprimieren, welches einer Elektrode einer Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein vorde­ res Gehäuse, welches einstückig mit der feststehenden Spirale ausge­ bildet ist, ein mittleres Gehäuse von einteiliger Konstruktion, welches mit dem vorderen Gehäuse verbunden ist, um mindestens einen Teil des Antriebskurbelmechanismus und einen Teil des Antriebsmotors zu bedecken, und ein hinteres Gehäuse, welches mit dem mittleren Ge­ häuse verbunden ist und die hintere Seite des Antriebsmotors bedeckt, wobei das vordere Gehäuse, das mittlere Gehäuse und das hintere Ge­ häuse eine Außenschale des Verdichters bilden.

Das mittlere Gehäuse ist einstückig als einteilige Konstruktion ausge­ bildet, um mindestens einen Teil des Antriebskurbelmechanismusteils und einen Teil des Antriebsmotorteils zu bedecken, und zeigt erhöhte Steifigkeit, um die Schwingungen des gesamten Scrollkompressors für eine Brennstoffzelle zu unterdrücken.

Weiter weist das vordere Gehäuse, welches einstückig mit der festste­ henden Spirale ausgebildet ist, kompakte Abmessungen auf. Daneben verleiht dieser Bereich eine erhöhte Steifigkeit, die wirksamer ist bei der Unterdrückung der Gesamtschwingungen im Zusammenwirken mit dem mittleren Gehäuse, welches als einteilige Konstruktion ausgebildet ist.

Wünschenswerterweise ist in dem mittleren Gehäuse ein Stützrahmen zur Stützung der vorderen Seite der Motorwelle oder zur Stützung der hinteren Seite des Antriebskurbelmechanismus enthalten.

Durch das Vorhandensein des Stützrahmens in einem Bereich nahe dem Antriebskurbelmechanismus zum In-Umlauf-versetzen der beweg­ lichen Spirale können Schwingungen am Umfang desselben unter­ drückt werden.

Der Stützrahmen muß nicht unbedingt einstückig mit dem mittleren Gehäuse ausgebildet sein. Wenn der Stützrahmen aber einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet wird, erhält man eine erhöhte Steifigkeit, was wünschenswert ist.

Zwar werden der Einfachheit halber die Wörter "vorder . . ." und "hinter . . ." verwendet; diese Wörter sollen aber die Position zum Einbau des erfindungsgemäßen Scrollkompressors für eine Brennstoffzelle nicht beschränken.

Das mittlere Gehäuse, welches einstückig ausgebildet ist, kann durch Gießen unter Verwendung einer Metallform erzeugt werden, so zum Beispiel durch Kokillen- oder Spritzguß, durch Gießen unter Verwen­ dung einer Sandform oder durch Schmieden.

Die Brennstoffzellen, für die der erfindungsgemäße Scrollkompressor Verwendung finden kann, sind von der Art, welche Gase wie Wasser­ stoff und Luft benötigen, so etwa Brennstoffzellen mit wäßriger alkali­ scher Lösung als Elektrolyt, mit festem hochmolekularem Elektrolyten, mit Phosphorsäure als Elektrolyt, mit Elektrolyten aus geschmolzenen Carbonaten und mit Festelektrolyten.

Es versteht sich, daß man bei einstückiger Ausbildung des mittleren Gehäuses im Vergleich zur geteilten Konstruktion außerdem mit weni­ ger Teilen (Gehäusen, Dichtungselementen an den Verbindungsflä­ chen, Schrauben etc.) auskommt, die Zahl der Montageschritte verrin­ gern kann und das Gewicht vermindern kann.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird nun ausführlicher am Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichneri­ sche Darstellung beschrieben; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Scrollkompressors für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm mit den Schwingungsmoden für das Ausführungs­ beispiel;

Fig. 3 einen Querschnitt eines Scrollkompressors für eine Brennstoffzelle als Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 4 ein Diagramm mit den Vergleichs-Schwingungsmoden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM Aufbau des Kompressors

Fig. 1 ist eine querschnittliche Darstellung eines Scrollkompressors 100 für eine Brennstoffzelle (im folgenden der Einfachheit halber als "Kompressor 100" bezeichnet) in Einklang mit einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung. Wie der in Fig. 3 gezeigte Scrollkompres­ sor 200 weist der Kompressor 100 einen Kompressionsmechanismusteil A, einen Kurbelmechanismusteil B und einen Antriebsmotorteil C auf und speist mit der komprimierten Luft eine Sauerstoffelektrode ei­ ner Brennstoffzelle.

Der Kompressionsmechanismusteil A umfaßt eine feststehende Spira­ le 110 und eine bewegliche Spirale 120. Die feststehende Spirale 110 umfaßt einen scheibenartigen feststehenden Basisplattenbereich 110a, einen auf dem feststehenden Basisplattenbereich 110a stehenden fest­ stehenden Spiralwandbereich 110b und eine den feststehenden Spiral­ wandbereich 110b bedeckende Außenumfangswand 110c. Das vordere Gehäuse, auf das in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, wird von dem feststehenden Basisplattenbereich 110a und der Außenumfangswand 110c gebildet. Eine Auslaßöffnung 111 ist in der Mitte des feststehenden Basisplattenbereichs 110a gebildet und führt zur Sauerstoffelektrode der Brennstoffzelle.

Die bewegliche Spirale 120 umfaßt einen scheibenartigen beweglichen Basisplattenbereich 120a und einen auf dem beweglichen Basisplatten­ bereich 120a stehenden beweglichen Spiralwandbereich 120b. Die feststehende und die bewegliche Spirale 110 und 120 stehen miteinan­ der in Eingriff, so daß zwischen ihnen ein Kompressionsraum 121 ge­ bildet wird. Eine (nicht gezeigte) Lufteinlaßöffnung ist ebenfalls ausge­ führt. Eine Lagereinheit 120c in Gestalt eines Zylinders mit Boden ist mittig an der hinteren Seite des beweglichen Basisplattenbereichs 120a vorgesehen, während Lagereinheiten 120d in Gestalt eines Zylinders mit Boden an der Außenumfangsseite desselben an drei gleichbeab­ standeten Stellen vorgesehen sind.

Der Kurbelmechanismusteil B umfaßt einen Antriebskurbelmechanis­ mus 140, um die bewegliche Spirale 120 in Umlauf zu versetzen und einen Abtriebskurbelmechanismus 150, um zu verhindern, daß die be­ wegliche Spirale 120 um ihre eigene Achse rotiert. Der Antriebskur­ belmechanismus 140 wird von der im vorstehenden erwähnten Lager­ einheit 120c, einem Kurbelzapfen 131a einer Motorwelle 131 und Rol­ lenlagern 137 zum Abstützen des Kurbelzapfens 131a gebildet. Der Kurbelzapfen 131a ist ein exzentrischer Teil der Motorwelle 131. Der Abtriebskurbelmechanismus 150 wird gebildet von den im vorstehen­ den erwähnten Lagereinheiten 120d, Kurbelzapfen 151a der Ab­ triebskurbelwellen 151 und Radial-Kugellagern 153 zum Abstützen der Kurbelzapfen 151a. Die Motorwelle 131 ist an ihrer vorderen Seite durch ein Kugellager 138 abgestützt. Die Abtriebskurbelwelle 151 ist an ihrer hinteren Seite durch ein zweireihiges Kugellager 152 abge­ stützt. Die Motorwelle 131 ist mit einem Ausgleichsgewicht 131b ver­ sehen, um das durch das Umlaufmoment der beweglichen Spirale 120 erzeugte Trägheitsmoment aufzuheben, zu dem Zweck, die Schwin­ gungen zu verringern.

Der Kurbelmechanismusteil B ist in dem mittleren Gehäuse 170 unter­ gebracht, zusammen mit dem Antriebsmotorteil C, der an späterer Stelle noch beschrieben werden wird. Der Kurbelmechanismusteil B und der Antriebsmotorteil C sind durch einen Stützrahmen 171 vonein­ ander getrennt, der einstückig mit dem mittleren Gehäuse 170, annä­ hernd in der Mitte desselben, ausgebildet ist. Die Kugellager 138 und 152 sind in den Stützrahmen 171 eingesetzt.

Der Antriebsmotorteil C wird von dem mittleren Gehäuse 170, einem hinteren Gehäuse 190 und einem dazwischen aufgenommenen An­ triebsmotor 130 gebildet. Zum einen ist der Antriebsmotor 130 ein In­ duktionsmotor, umfassend die sich axial erstreckende Motorwelle 131, einen mit der Motorwelle 131 verbundenen Läufer 133 und einen Stän­ der 134, der eine Wicklung 135 trägt. Der Antriebsmotor 130 kann deshalb bezüglich seiner Drehzahl durch einen Wechselrichter oder In­ verter, der nicht dargestellt ist, gesteuert werden. Weiter ist ein Was­ sermantel 171a vorgesehen, annähernd in der Mitte des den Antriebs­ motor 130 bedeckenden mittleren Gehäuses 170, in Übereinstimmung mit der Lage des Ständers 134, so daß der Antriebsmotor 130 durch das Kühlwasser gekühlt wird.

Wenn der Kompressionsmechanismusteil A mit dem Wassermantel zum Kühlen ausgestattet wird, kann leicht ein Wasserdurchlaß in Ver­ bindung mit dem des mittleren Gehäuses 170 hergestellt werden, weil das mittlere Gehäuse 170 als einteilige Konstruktion hergestellt ist.

Am hinteren Ende des Antriebsmotors 130 ist das hintere Gehäuse 190 mit dem mittleren Gehäuse 170 durch Schrauben verbunden, wobei zwischen den Gehäusen ein Motorraum zur Aufnahme des Antriebs­ motors 130 gebildet ist. In der Mitte des hinteren Gehäuses 190 ist die Motorwelle 131 durch ein Kugellager 139 abgestützt und mit Hilfe einer Dichtung 136 hermetisch abgedichtet.

Wenn der Antriebsmotor 130 mit elektrischer Energie gespeist wird, dreht sich die Motorwelle 131 und die bewegliche Spirale 120 läuft durch den Antriebskurbelmechanismus 140 im Eingriff mit der festste­ henden Spirale 110 um. Sodann wird über die (nicht gezeigte) Einlaß­ öffnung durch den zwischen der feststehenden Spirale 110 und der beweglichen Spirale 120 definierten Kompressionsraum 121 Luft einge­ saugt. Während die bewegliche Spirale 120 umläuft (bei rotierender Motorwelle), wandert der Kompressionsraum vom Außenumfang des Kompressors zur Mitte (des Kompressors), wobei sich sein Volumen verkleinert, und die verdichtete Luft wird durch die Auslaßöffnung 111 ausgeschoben.

Schwingungsanalyse

Bei dem Kompressor 100 dieser Ausführungsform sind mindestens ein Teil des Antriebskurbelmechanismus 140 und ein Teil des Antriebsmo­ tors 130 in dem mittleren Gehäuse 170 aufgenommen, welches ein­ stückig als einteilige Konstruktion hergestellt ist. Der Stützrahmen 171, der als dazwischenliegende Trennwand dient, ist einstückig mit dem mittleren Gehäuse 170 ausgebildet. Die oben erwähnte Gehäusekon­ struktion und die in der Mitte geteilte Gehäusekonstruktion (Fig. 3), wie sie weiter oben beschrieben wurde, wurden auf ihre Schwingungs­ charakteristika untersucht. Die Beschreibung bezieht sich hier auf den Kompressor 100. Dasselbe gilt jedoch auch hinsichtlich der Schwin­ gungscharakteristika (Fig. 4) des Scrollkompressors 200, der weiter oben beschrieben worden ist.

(1) Resonanzfrequenz

Die Resonanzfrequenz des in Fig. 1 gezeigten Kompressors 100 (fertiges Erzeugnis) wurde durch Anschlagversuch oder Hammerprü­ fung ermittelt. Bei der Hammerprüfung wird der nicht in Betrieb be­ findliche Kompressor 100 mit einem Hammer angeschlagen, und die Schwingungen werden unter Verwendung eines Beschleunigungsauf­ nehmers gemessen und analysiert. Die Resonanzfrequenz dieser Aus­ führungsform ergab sich zu 640 Hz.

(2) Modenanalyse

Als nächstes wurden die Beschleunigungsaufnehmer an sechs Stellen an dem Kompressor 100 angeordnet, und durch Betreiben des Kom­ pressors wurde eine Schwingungsmode gefunden mit einer Schwin­ gungsfrequenz annähernd gleich der Resonanzfrequenz, die durch die Hammerprüfung gefunden worden war. Als Ergebnis wurde für diese Ausführungsform gefunden, daß die Rotationskomponente siebter Ord­ nung, die bei Betrieb des Kompressors mit einer Drehzahl von 5000 U/min bei Austrittsdruck Pd/Eintrittsdruck Ps = 0,13/0 MPa (Überdruck) auftrat, nahezu der Schwingungsmode unter der Reso­ nanzbedingung entsprach. Fig. 2 zeigt ein Schwingungs- (Beschleunigungs-)profil an verschiedenen Stellen des Kompres­ sors 100.

(3) Auswertung

Fig. 2 zeigt auch, deutlich sichtbar, eine Dämpfung der Schwingung nahe dem Bereich, der sich von dem Kurbelmechanismusteil B bis zum Kompressionsmechanismusteil A erstreckt, woraus erkennbar wird, daß sich ein Schwingungsknoten gebildet hat. Dies wird darauf zurückge­ führt, daß wegen der Ausbildung des mittleren Gehäuses 170 als ein­ teilige Konstruktion der Kompressor 100 als Ganzes eine erhöhte Stei­ figkeit zeigt und als ein steifer Körper als Ganzes schwingt.

Der Scrollkompressor für eine Brennstoffzelle in Einklang mit der vor­ liegenden Erfindung unterdrückt Schwingungen und verkörpert, insge­ samt gesehen, einen Kompressor mit kompakten Abmessungen.

Claims (5)

1. Scrollkompressor für eine Brennstoffzelle, welcher umfaßt:
eine feststehende Spirale mit einem feststehenden Basisplatten­ bereich und einem auf dem feststehenden Basisplattenbereich stehenden feststehenden Spiralwandbereich;
eine bewegliche Spirale, welche einen beweglichen Basisplatten­ bereich und einen auf der beweglichen Basisplatte stehenden beweglichen Spiralwandbereich aufweist und mit der feststehen­ den Spirale in Eingriff steht;
einen Antriebsmotor mit einer Motorwelle;
einen Antriebskurbelmechanismus, der in Verbindung mit der Motorwelle dazu angeordnet ist, die bewegliche Spirale in Umlauf zu versetzen;
wobei die feststehende Spirale und die bewegliche Spirale einen Kompressionsraum bilden, um ein Gas zu komprimieren, wel­ ches einer Elektrode einer Brennstoffzelle zugeführt werden soll;
ein vorderes Gehäuse, welches einstückig mit der feststehenden Spirale ausgebildet ist;
ein mittleres Gehäuse von einteiliger Konstruktion, welches mit dem vorderen Gehäuse verbunden ist, um mindestens einen Teil des Antriebskurbelmechanismus und einen Teil des Antriebs­ motors zu bedecken; und
ein hinteres Gehäuse, welches mit dem mittleren Gehäuse ver­ bunden ist und die hintere Seite des Antriebsmotors bedeckt, wobei das vordere Gehäuse, das mittlere Gehäuse und das hin­ tere Gehäuse eine Außenschale des Verdichters bilden.

2. Scrollkompressor für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wo­ bei das mittlere Gehäuse einen Stützrahmen zum drehbaren Ab­ stützen der Motorwelle aufweist.

3. Scrollkompressor nach Anspruch 1, wobei das mittlere Gehäuse den Antriebsmotor vollständig bedeckt.

4. Scrollkompressor nach Anspruch 1, wobei das vordere Gehäuse die bewegliche Spirale bedeckt.

5. Scrollkompressor nach Anspruch 1, wobei der Antriebskurbelme­ chanismus einen exzentrischen Bereich der Motorwelle umfaßt, welcher mit der beweglichen Spirale drehbar verbunden ist.