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Die
Erfindung betrifft eine Pumpe mit einer Welle, welche einen Rotorabschnitt
und einen Lagerabschnitt aufweist, zwischen denen in axialer Richtung
eine Dichtungsvorrichtung angeordnet ist. Des Weiteren betrifft
die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Pumpe.
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Aus
der
DE 102 07 929
A1 ist eine Vakuumpumpe mit einer Rotorwelle bekannt, die
einen Rotorabschnitt mit einem Rotor, einen Lagerabschnitt mit einem
Lager und axial zwischen dem Rotorabschnitt und dem Lagerabschnitt
eine Wellendichtungsanordnung aufweist. Die Wellendichtungsanordnung
weist im Wesentlichen drei axiale Abschnitte auf, nämlich
rotorseitig eine Gasdichtung, lagerseitig eine Öldichtung
und dazwischen eine Trennkammer. Die Gasdichtung wird von drei Kolbenringen
gebildet, die axial hintereinander liegend angeordnet sind. Die Kolbenringe
greifen jeweils in eine Ringnut der Rotorwelle ein, so dass sich
durch die drei Kolbenringe in den Ringnuten ein im Längsschnitt
mäanderförmig verlaufender Spalt ergibt. Durch
diese Ausgestaltung ist eine berührungsfreie Labyrinthdichtung
ausgebildet, durch die der Gasdurchtritt auf ein unvermeidbares
Minimum reduziert werden soll.
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Darüber
hinaus weist ein Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle
auf, welche zur Realisierung des Funktionsprinzips mit Luft versorgt
werden muss. Dazu sind in Luftversorgungsvorrichtungen für
die Brennstoffzelle Verdichter eingesetzt. In dem Verdichter sind
entsprechende Dichtungen und Lagerungen anzubringen. Die Abdichtung
der Luftversorgung hat die Aufgabe, die Lagerung vor dem Eindringen
von Verschmutzung zu schützen, da bereits kleinste Schmutzpartikel
bei Überrollung in der Wälzlagerlaufbahn zu Schäden bzw.
zum Ausfall der Lagerung führen können. Weiterhin
hat die Abdichtung im Falle der Luftversorgung die Aufgabe, ein
Austreten von eventuell im Lagerraum vorhandenen Kohlenwasserstoffen
in die verdichtete Luft, mit der die Brennstoffzelle versorgt wird,
zu verhindern. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da Kohlenwasserstoffe
die Membran der Brennstoffzelle schädigen und darüber
hinaus der Austritt von Kohlenwasserstoffen dem Ziel der schadstofffreien
Abgasemission des Brennstoffzellensystems widersprechen würde.
Im Falle von fettgeschmierten Wälzlagern in der Pumpe hat
die Abdichtung außerdem die Aufgabe, einen „Durchzug"
von Luft durch die Lagerung zu verhindern. Ein derartiger Luftdurchzug
würde nämlich das in Luft gelöste Grundöl
des Fettes ausblasen und somit die Fettgebrauchsdauer reduzieren.
Im Falle der Luftversorgung herrschen auf Verdichterseite und Turbinenseite
der Luftversorgungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems unterschiedliche
Drücke, so dass ein Druckausgleich über den Innenraum
der Luftversorgung in geeignetem Maß zu drosseln ist.
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Die
oben erläuterten Problemstellungen werden in der mobilen
Anwendung, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen vorgesehen
ist, üblicherweise mit berührenden Abdichtungen
gelöst. Eine relativ kostengünstige Art der Abdichtung
ist in diesem Zusammenhang ein Radialwellendichtring. Diese Technik
kann bei der in der Luftversorgungseinheit eines Brennstoffzellensystems
gegebenen Umfangsgeschwindigkeit am Dichtungsdurchmesser von größer 110
m/s nicht eingesetzt werden, da die Reibung zu hohen Verlusten,
hohen Temperaturen und hohem Verschleiß bzw. zur Zerstörung
des Dichtungswerkstoffes führt. Eine gegebenenfalls mögliche berührende
Dichtung in Form der Gleitringdichtung ist andererseits sehr aufwändig
und kostenintensiv und stört außerdem die Rotordynamik
wegen ihrer in axialer Richtung großen Dimension.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe für
ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem eine ausreichende
Abdichtung aufwandsarm und kostengünstig realisiert werden
kann. Insbesondere soll bei einer Verwendung in einem Brennstoffzellensystem
der Eintritt von Kohlenwasserstoffen in die Membran der Brennstoffzelle
verhindert werden und darüber hinaus der Luftdurchzug durch
die Lagerung der Pumpe verhindert werden, um die dortige Fettgebrauchsdauer
nicht zu minimieren.
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Diese
Aufgaben werden durch eine Pumpe, welche die Merkmale nach Anspruch
1 aufweist, und einem Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale
nach Anspruch 8 aufweist, gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Pumpe umfasst eine Welle, welche
einen Rotorabschnitt und einen Lagerabschnitt aufweist. Zwischen
dem Rotorabschnitt und dem Lagerabschnitt ist in axialer Richtung betrachtet
eine Dichtungsvorrichtung angeordnet. Die Dichtungsvorrichtung umfasst
zumindest einen inneren Dichtungsring und zumindest zwei in axialer Richtung
beabstandet zueinander ausgebildete äußere Dichtungsringe.
Die äußeren Dichtungsringe sind in radialer Richtung
durch einen Radialspalt beabstandet zum inneren Dichtungsring angeordnet und
zwischen den äußeren Dichtungsringen ist zumindest
ein sich axial erstreckendes elastisches längenveränderliches
Vorspannelement angeordnet. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Vorspannelementen
in axialer Richtung der Welle zwischen den äußeren
Dichtungsringen positioniert.
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Die
Dichtungsanordnung ist insbesondere als Labyrinthdichtung ausgebildet
und umfasst die äußeren Dichtungsringe und den
zumindest einen inneren Dichtungsring. Vorzugsweise sind die beiden äußeren
Dichtungsringe durch das zumindest eine Vorspannelement mit ihren
Stirnflächen an zugewandte Oberflächen von in
axialer Richtung jeweils benachbarten Außenteilen der Pumpe
angedrückt.
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Vorzugsweise
ist durch das zumindest eine Vorspannelement ein Axialspalt zwischen
den äußeren Dichtungsringen zwischen 0,18 mm und
0,22 mm, insbesondere 0,2 mm, ausgebildet.
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Der
innere Dichtungsringe ist vorzugsweise an der Welle angeordnet.
Darüber hinaus ist der innere Dichtungsring in vorteilhafter
Weise in axialer Richtung auf Höhe der äußeren
Dichtungsringe angeordnet.
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Die äußeren
Dichtungsringe sind vorzugsweise durch die das Vorspannelement ausgeübte axiale
Kraft an die Außenteile angedrückt und in radialer
Richtung gehalten, und abhängig von einer bei einer radialen
Auslenkung des inneren Dichtungsrings bewirkten Kontaktierung mit
und einer Kraftübertragung auf die äußeren
Dichtungsringe sind diese in radialer Richtung verschiebbar. Durch
diese Ausgestaltung wird quasi eine schwimmende Labyrinthdichtung
erzeugt.
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Vorzugsweise
ist zwischen dem inneren Dichtungsring und den äußeren
Dichtungsringen ein Radialspalt ausgebildet, welcher kleiner 0,1
mm, insbesondere kleiner 0,05 mm ist. Durch eine derartige schwimmende
Dichtung kann dieser Radialspalt somit extrem eng gestaltet werden
und nur wenige hundertstel mm betragen.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit zumindest
einer Brennstoffzelle und einer Luftversorgungsvorrichtung für die
Brennstoffzelle. Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem
eine erfindungsgemäße Pumpe oder eine vorteilhafte
Ausgestaltung davon. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem
als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und in einem Kraftfahrzeug
verwendbar. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem einen
Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die
als PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein können. Die Luftversorgungsvorrichtung
des Brennstoffzellensystems umfasst eine Zuführleitung, über
welche Oxidationsmittel wie Luft oder Sauerstoff zur Kathode einer
Brennstoffzelle geleitet werden kann. Insbesondere ist die erfindungsgemäße
Pumpe als Verdichter ausgebildet, welcher in dieser Zuführleitung angeordnet
bzw. mit dieser verbunden ist.
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Die
Luftversorgungsvorrichtung umfasst des Weiteren eine von der Kathode
wegführende Abgasleitung. Der Luftversorgungsvorrichtung
ist des Weitern ein Expander, insbesondere eine Turbine mit einem
variablen Leitgitter, zugeordnet, welcher vorzugsweise in dieser
Abgasleitung angeordnet bzw. mit dieser verbunden ist.
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Besonders
bevorzugt erweist es sich, wenn der Verdichter und der Expander
eine gemeinsame Welle aufweisen und über einen Motor, insbesondere einen
Elektromotor, antreibbar sind.
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Durch
eine derartige Pumpe, welche eine erläuterte Dichtungsvorrichtung
aufweist, kann eine kleinstmögliche Reibleistung dieser
Abdichtung erreicht werden, da der Antrieb der Luftversorgung von der
Brennstoffzelle mit elektrischer Leistung versorgt wird und die
Verluste in den Subsystemen den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems
dadurch nicht mehr wesentlich reduzieren. Des Weiteren trägt
die mit der Dichtungsvorrichtung erreichbare kleinstmögliche
Reibleistung dazu bei, dass die Reibung im Dichtspalt bei hohen
Umfangsgeschwindigkeiten der Welle nicht mehr zu lokal sehr hohen Temperaturen
führen. Dadurch kann auch eine Schädigung von
Bauteilen durch eine derartige Temperaturbeaufschlagung verhindert
werden und große Ausdehnungen von Bauteilen aufgrund der
Temperaturbeaufschlagung verhindert werden.
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Darüber
hinaus kann der Austritt von Kohlenwasserstoffen, die im Lagerraum
der Pumpe eventuell vorhanden sind, vermieden werden. Auch die Penetration
verschmutzter Umgebungsluft in den Lagerraum kann vermieden werden.
Die Drosselung bzw. Vermeidung der Luftströmung durch die
Lager, welche durch einen Differenzdruck zwischen der Verdichterseite
und der Turbinenseite auftreten kann, kann dadurch erreicht werden.
Nicht zuletzt können durch eine derartige Dichtungsvorrichtung
in der Pumpe möglichst kurze axiale Längen konzipiert werden,
wodurch auch die Tragarme außerhalb der Stützbasis
der Lagerung klein gehalten werden können und so die statische
Steifigkeit hoch gehalten werden kann.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Teilausschnitt
einer Pumpe.
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Indem
in der Figur gezeigten Querschnitt sind die für das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente der Pumpe 1 gezeigt.
Die Pumpe 1 ist einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug
zugeordnet. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Luftversorgungsvorrichtung,
welche auch die Pumpe 1 aufweist.
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Die
Pumpe 1 weist eine Welle 2 auf, welche um eine
Achse A drehbar ist. Die Welle 2 weist einen Lagerabschnitt 3 mit
Wälzlagern auf, welche fettgeschmierte Lager darstellen.
Des Weiteren umfasst die Pumpe 1 einen Rotorabschnitt 4 mit
einem nicht näher gekennzeichneten Rotor auf.
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In
axialer Richtung (x-Richtung) betrachtet ist zwischen dem Lagerabschnitt 3 und
dem Rotorabschnitt 4 eine Dichtungsvorrichtung 5 angeordnet. Die
Dichtungsvorrichtung 5 ist als Labyrinthdichtung ausgebildet
und umfasst einen inneren Labyrinthring bzw. Dichtungsring 6 und
einen ersten äußeren Labyrinthring bzw. Dichtungsring 7 sowie
einen zweiten äußeren Labyrinthring bzw. Dichtungsring 8.
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Der
innere Dichtungsring 6 ist unmittelbar an der Welle 2 angeordnet
und in axialer Richtung betrachtet auf Höhe der beiden äußeren
Dichtungsringe 7 und 8 angeordnet. Darüber
hinaus ist zwischen den äußeren Dichtungsringen 7 und 8 und
dem inneren Dichtungsring 6 ein Radialspalt ausgebildet,
so dass die äußeren Dichtungsringe 7 und 8 und
der innere Dichtungsring 6 beabstandet und kontaktfrei
angeordnet sind.
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Der
durch den Radialspalt in radialer Richtung (y-Richtung) definierte
Abstand zwischen den äußeren Dichtungsringen 7 und 8 und
dem inneren Dichtungsring 6 ist minimal und beträgt
im Ausführungsbeispiel wenige hundertstel mm.
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Zwischen
den äußeren beiden Dichtungsringen 7 und 8 sind
in axialer Richtung (x-Richtung) und somit parallel zur Achse A
mehrere als Federelemente ausgebildete elastische, längenveränderliche
Vorspannelemente angeordnet, welche nicht näher eingezeichnet
sind, deren Position jedoch durch die Bezugszeichen 9 und 10 angedeutet
ist.
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Der Übersichtlichkeit
dienend sind die Bezugszeichen im Wesentlichen nur in der oberen
Hälfte der Schnittdarstellung in der Figur eingezeichnet. Aufgrund
der Querschnittdarstellung und der symmetrischen Ausgestaltung zur
Achse A sind die entsprechenden Komponenten auch in der unteren
Hälfte der Figur gegeben, dort jedoch nicht näher
bezeichnet.
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Angrenzend
an den ersten äußeren Dichtungsring 7 ist
ein Außenteil 11 mit einer dem ersten äußeren
Dichtungsring 7 zugewandten Wand bzw. Oberfläche 12 angeordnet.
Des Weiteren ist ein zweites Außenteil 13 benachbart
zum zweiten äußeren Dichtungsring 8 angeordnet
und mit einer Wand bzw. Oberfläche 14 diesem zugewandt.
Die Außenteile 11 und/oder 13 sind vorzugsweise
Gehäuseteile und/oder Begrenzungen für Arbeitsräume
in der Pumpe 1.
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Durch
die Federelemente 9 und 10 sind die beiden äußeren
Dichtungsringe 7 und 8 in axialer Richtung nach
außen gegen das jeweilige feststehende Außenteil 11 bzw. 13 angedrückt.
Daraus ergibt sich ein Axialspalt zwischen den beiden äußeren Dichtungsringen 7 und 8 von
0,2 mm.
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Die
dadurch entstehende Normalkraft zwischen der jeweiligen Stirnfläche
des äußeren Dichtungsrings 7 bzw. 8 und
dem zugewandten Außenteil 11 bzw. 13,
insbesondere den Oberflächen 12 bzw. 14,
erzeugt eine Reibkraft, die die beiden äußeren Labyrinthringe
bzw. Dichtungsringe 7 und 8 in einer radialen
Position hält. Die Kraft der Federelemente 9 und 10 ist
dabei so zu dimensionieren und gering zu halten, damit die notwendige
Kraft, um diese Dichtungsringe 7 und 8 auch radial
verschieben zu können, möglichst gering bleibt.
Einer radialen Verschiebung der äußeren Dichtungsringe 7 und 8 wird
damit nur eine relativ geringe Reibkraft entgegengesetzt, so dass
hier die Dichtungsvorrichtung 5 diesbezüglich
als radial „schwimmend" anzusehen sind.
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Kommt
es nun zu einer radialen Auslenkung (Auslenkung in y-Richtung) der
Welle 2 und damit auch des inneren Dichtungsrings 6,
die größer ist als der Radialspalt zwischen dem
inneren Dichtungsring 6 und den äußeren
Dichtungsringen 7 und 8, so kommt es zur Berührung
zwischen der Bohrung der äußeren Dichtungsringe 7 und 8 und
dem inneren Dichtungsring 6.
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Da
die äußeren Dichtungsringe 7 und 8 radial
nur über die oben erläuterte Reibhaftung an den Seiten 12 und 14 gehalten
werden, werden diese bei einer radialen Krafteinwirkung durch die
radial verschobene Welle 2 und dem damit verschobenen inneren
Dichtring 10 auch radial verschoben. Diese radiale Verschiebung
der äußeren Dichtungsringe 7 und 8 bei
einer derartigen Krafteinwirkung erfolgt indem die Kraft in der
Kontaktfläche zwischen innerem Dichtungsring 6 und äußeren
Dichtungsringen 7 und 8 wirkt.
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Dies
ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber starr und fest angeordneten äußeren
Dichtungsringen 7 und 8, da bei derartig starr
montierten Dichtungsringen 7 und 8 eine erläuterte
Auslenkung der Welle 2 in radialer Richtung zum Fressen
des Inneren, mit der Welle 2 rotierenden, Dichtungsring 6 mit den äußeren
Dichtungsringen 7 und 8 führen würde. Bei
einer starren Anbringung der äußeren Dichtungsringe 7 und 8 müsste
daher jede denkbare Auslenkung der Welle 2 in der Größe
des Radialspalts berücksichtigt werden. Dies würde
zu sehr großen Radialspalten führen, die dann
wiederum zu groß wären, als dass diese die oben
genannten Anforderungen im Hinblick auf kleinstmögliche
Reibleistung, Vermeidung von Austritt von Kohlenwasserstoffen, Vermeidung
der Penetration verschmutzter Umgebungsluft in den Lagerraum, Drosselung
bzw. Vermeidung der Luftströmung durch die Lager und dergleichen
erfüllen könnten.
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Da
der Druck außerhalb des Lagerraums auf der Verdichterseite
und der Turbinenseite unterschiedlich hoch ist, existiert eine,
wenn auch wegen der extrem kleinen Spalte stark gedrosselte, Ausgleichströmung
durch die Luftversorgungseinheit. Der Druck auf der Verdichterseite
ist höher. Ein Teil des Überdrucks auf dieser
Seite kann nach Drosselung durch die ersten beiden radialen Dichtspalte
des ersten äußeren Dichtungsrings 7 in
die Umgebung entlastet werden.
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Das
Gleiche kann im zweiten äußeren Dichtungsring 8 erreicht
werden. Dadurch kann eine wesentliche Entlastung der Dichtungsvorrichtung 5 erzielt
werden.
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Je
größer der Druck im Inneren des Lagergehäuses
relativ zu dem Druck außerhalb ist, desto geringer ist
das Druckpotential an dem jeweiligen Dichtungsring. Besonders ergeben
sich dann bestmögliche Verhältnisse hinsichtlich
der Vermeidung einer Luftströmung durch die Lager, wenn
der „innere" Druck gleich dem „äußeren"
Druck auf der Turbinenseite ist und somit auf dieser Seite kein
Differenzdruck vor und hinter der Dichtung besteht. Auf der Verdichterseite
herrscht dann der kleinstmögliche Differenzdruck.
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- 1
- Pumpe
- 2
- Welle
- 3
- Lagerabschnitt
- 4
- Rotorabschnitt
- 5
- Dichtungsvorrichtung
- 6
- innerer
Dichtungsring
- 7,
8
- äußerer
Dichtungsring
- 9,
10
- Federelemente
- 11,
13
- Außenteile
- 12,
14
- Oberfläche
der Außenteile
- A
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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