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Die
Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Elektromotor, bei dem ein
Spaltrohr den Raum mit den im geförderten Medium umlaufenden
und an einer Welle angeordneten Rotor von dem Stator separiert.
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Darüber
hinaus ist aus der
DE
40 28 765 C2 ein Spaltrohrmotor bekannt, welcher eine Heiz-
und Kühleinrichtung aufweist. Diese ist außerhalb
des Spaltrohrmotors angeordnet. Sie besteht zum einen aus einem
Heizmantel, der Längsrippen des Ständergehäuses
des Spaltrohrmotors umschließt. Zum anderen umfasst sie
einen von einem Elektromotor angetriebenen Lüfter, dessen
Kühlluftstrom über einen zwischen der Wand des
Ständergehäuses, den Längsrippen und
dem Heizmantel gebildeten Raum geführt wird. In Längsrichtung
des Motors betrachtet ist somit der außenseitige Heizmantel
unterhalb und weit entfernt vom Elektromotor und vom Lüfter
positioniert.
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Bei
Pumpen, insbesondere Gebläsen oder Verdichtern, welche
in einem Brennstoffzellensystem angeordnet sind, kann es im abgeschalteten
Zustand und bei niedrigen Umgebungstemperaturen dazu kommen, dass
aufgrund von Wasserausfrierungen beispielsweise der Rotor im Spalttopfmotor
eines Gebläses, das feucht nasse Gase in ein Brennstoffzellensystem
befördert, festfriert. Beim Starten des Brennstoffzellensystems
und somit auch beim Starten der Pumpe kann dann der Betrieb der
Pumpe gar nicht oder nur eingeschränkt erfolgen, da durch
die festgefrorenen Komponenten ein ordnungsgemäßer Betrieb
nicht oder nur wesentlich verzögert erfolgen kann.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe und ein Brennstoffzellensystem
mit einer derartigen Pumpe zu schaffen, bei welcher bzw. bei welchem
das Betriebverhalten bei tiefen Temperaturen verbessert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Pumpe, welche die Merkmale nach Anspruch
1 aufweist, und ein Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale
nach Anspruch 12 aufweist, gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Pumpe umfasst einen Elektromotor,
welcher einen Rotor und einen Stator aufweist. Darüber
hinaus umfasst die Pumpe ein Spaltrohr, welches den Raum mit dem
im geförderten Medium umlaufenden, an einer Welle angeordneten
Rotor, von dem Stator separiert. Dieses Spaltrohr ist heizbar. Die
Erfindung sieht somit vor, dass das Spaltrohr des Motors der Pumpe,
durch das der Stator des Motors von dem feucht nassen beförderten
Medium getrennt ist, direkt beheizt wird, um festgefrorenes Eis
oder dergleichen zwischen Motor und Stator aufzutauen. Unter einer
Reizbarkeit des Spaltrohrs wird die Beaufschlagung des Spaltrohrs mit
positiver Temperatur durch aktive und bewusst hervorgerufene und
beeinflusste Vorgehensweise verstanden. Insbesondere ist dies durch
eine Elektronik gesteuert oder geregelt. Eine mögliche
relativ langsame und geringe Erwärmung des Spaltrohrs, wie
dies durch Temperaturänderungen in der Umwelt natürlich
und unbeeinflussbar gegeben sein kann, ist darunter nicht oder allenfalls
begleitend dazu zu verstehen.
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Das
Betriebsverhalten der Pumpe kann dadurch wesentlich verbessert werden.
Insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen und gegebenenfalls
festgefrorenen Komponenten kann durch diese Ausgestaltung der ordnungsgemäße
Betrieb unverzüglich oder unmittelbar kurz nach dem Starten
bereits erreicht werden.
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Vorzugsweise
ist das Spaltrohr selbst als eine Heizeinheit ausgebildet. Durch
diese Ausgestaltung kann eine sehr bauteilminimierte Pumpe ermöglicht
werden, wodurch auch die Effektivität des Aufheizens optimiert
werden kann.
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Vorzugsweise
ist das Spaltrohr zumindest bereichsweise aus elektrisch leitfähigem
Kunststoff ausgebildet, welcher zum Heizen elektrisch kontaktiert
ist.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass das Spaltrohr zumindest bereichsweise
aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, welchem
Rußpartikel beigemischt sind, und welcher zum Heizen elektrisch
kontaktiert ist.
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Insbesondere
ist der Kunststoff an den dem Gehäuse der Pumpe zugewandten
Seiten elektrisch isoliert ausgebildet. Vorzugsweise ist somit vorgesehen,
dass bei einem Ausbilden des Spaltrohrs, insbesondere des Spalttopf,
aus leitfähigem Kunststoff dieser aus kohlefaserverstärkten
Kunststoff mit beigemengten Rußpartikeln ausgebildet ist,
wobei dieses Spaltrohr dann an beiden gegenüberliegenden
Enden zum Gehäuse der Pumpe hin entsprechend elektrisch
isoliert und elektrisch kontaktiert ist.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass an dem Spaltrohr Heizleiter angeordnet
sind, welche elektrisch kontaktiert sind. Die Aufbringung der Heizleiter kann
beispielsweise durch eine Bedruckung oder eine Galvanisierung erfolgen.
Auch andere Anbringungsarten sind selbstverständlich möglich.
Insbesondere sind die Heizleiter so ausgebildet, dass je nach erforderlicher
Betriebsspannung und Heizleistung ihre Geometrie und Positionierung
an dem Spaltrohr vorgesehen ist.
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Eine
Ausgestaltung wie sie beispielsweise bei einer Scheibenheizung in
einem Fahrzeug vorgesehen ist, kann diesbezüglich realisiert
werden. Somit ist quasi eine elektrische Widerstandsheizung ausgebildet.
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Vorzugsweise
kann vorgesehen sein, dass die Heizleiter außenseitig an
dem Spaltrohr angeordnet und/oder in das Spaltrohr integriert sind.
An dem Spaltrohr werden somit an definierten Stellen, welche vorzugsweise
anhängig von der erforderlichen Betriebsspannung und der
erforderlichen Heizleistung ausgewählt sind, angeordnet.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Heizleiter, welche an dem Spaltrohr
angeordnet oder darin integriert sind, über das Magnetfeld
des Stators heizbar sind. Eingegossene oder aufgedruckte elektrische
Heizleiter, die über das Statormagnetfeld beheizt werden,
können dann vorzugsweise mit einem Schalter, insbesondere
einem Thermoschalter, ein- und ausschaltbar sein. Vorzugsweise ist
der Thermoschalter als Bimetall- oder als PTC-Element ausgebildet.
Abhängig von der Temperatur kann dann das Aktivieren oder
Deaktivieren eines Heizleiters erfolgen.
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Vorzugsweise
ist die Welle mit zumindest einem Lager gelagert, wobei das Spaltrohr
so angeordnet ist, dass es zumindest dieses eine Lager umgreift und
durch die Beheizung des Spaltrohrs auch das Lager heizbar ist. Vorzugsweise
ist die Welle mit zwei Lagern gelagert, und das Spaltrohr umgibt
beide Lager und kann somit auch beide Lager erwärmen. Das Spaltrohr,
bzw. der Spalttopf, umgibt somit vorzugsweise den äußeren
Lagerring ganz oder teilweise, womit zumindest eines der beiden
Kugellager oberhalb bzw. unterhalb des Rotors mit aufheizbar ist.
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Die
Pumpe kann insbesondere als Seitenkanalverdichter ausgebildet sein.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Pumpe und einer vorteilhaften
Ausgestaltung davon kann das Spaltrohr beispielsweise mit einer
Gleichspannung von 13,5 Volt mit etwa 100 W bis 500 W direkt elektrisch
beheizt werden. Die Aufheizdauer ausgehend von einer Temperatur
von minus 15°C auf über 0°C kann dann
beispielsweise auf wenige Sekunden, insbesondere etwa 2 Sekunden,
verkürzt werden. Dies ist eine erhebliche Reduzierung derjenigen
Dauer, die die Pumpe im Zustand von festgefrorenen Komponenten bis
zur ordnungsgemäßen Funktionsweise benötigt,
da im Stand der Technik bei bekannten Pumpen diesbezüglich
mehrere Minuten erforderlich sind.
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Ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst
eine erfindungsgemäße Pumpe oder eine vorteilhafte
Ausgestaltung davon. Die Pumpe ist insbesondere in einem Anodenzweig
des Brennstoffzellensystems angeordnet bzw. diesem zugeordnet. Insbesondere
ist die Pumpe in einem dem Anodenzweig zugeordneten Rezirkulationszweig
zur Rückführung des Anodenabgases angeordnet.
Gerade bei einer Verwendung der Pumpe in einem Brennstoffzellensystem
kann im abgestellten Zustand des Brennstoffzellensystems das darin
gebildete Wasser bei niedrigen Umgebungstemperaturen ausfrieren
und somit können bewegbare Teile der Pumpe festfrieren.
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
kann die Kondensation auf der Medienseite des Spalttopfs bzw. Spaltrohrs
und somit eine Eisbildung beim Einfrieren nicht nur während
einer Kaltstartphase nach einer Deaktivierung des Brennstoffzellensystem
möglich sein sondern prinzipiell auch während
des laufenden Betriebs gegeben sein. Somit kann das Spaltrohr ganz
allgemein auch betriebsphasenspezifisch heizbar sein, wobei in diesem
Zusammenhang unter einer Betriebsphasenspezifikation auch der normale
Betrieb der Pumpe oder des Brennstoffzellensystems gefasst ist.
In diesem Zusammenhang kann auch ein Heizen nach dem Abschalten
des Systems gegeben sein, wodurch somit während Abkühlphasen
unmittelbar nach dem Abschalten ein Heizen gegeben ist, um auch
in diesem Zusammenhang eine Ausfrierung von Wasser vermeiden zu
können.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Teilbereich
einer als Seitenkanalverdichter ausgebildeten Pumpe.
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In
der Figur ist in einer Schnittdarstellung ein Teilausschnitt einer
als Seitenkanalverdichter ausgebildeten Pumpe 1 gezeigt.
Die Pumpe 1 ist einem Brennstoffzellensystem mit zumindest
einer Brennstoffzelle zugeordnet, welches in einem Kraftfahrzeug
angeordnet ist. Die Pumpe 1 ist in einem Anodenzweig einer
Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems angeordnet und dort
insbesondere in einem Rezirkulationskreis des Anodenzweigs positioniert. Die
Pumpe 1 ist somit zur Förderung von Anodenabgas
ausgebildet.
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Die
Pumpe 1 umfasst einen Rotor 2, welcher in einem
Motorraum angeordnet ist. Des Weiteren ist in dem Motorraum ein
Stator 3 angeordnet, welcher gehäusefest positioniert
ist. Der Rotor 2 ist an einer Welle 4 befestigt,
an welcher auch ein Laufrad 5 der Pumpe 1 befestigt
ist. Das Laufrad 5 ist im Ausführungsbeispiel
als Scheibe ausgebildet, an dessen Umfang eine Mehrzahl von Schaufeln 6 angeordnet sind.
Das Laufrad 5 mit den Schaufeln 6 wird über
die Welle 4 angetrieben und dreht sich um die Achse A der
Welle 4.
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Benachbart
zu den Schaufeln 6 sind ein unterer Seitenkanal 7 und
ein oberer Seitenkanal 8 ausgebildet.
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Darüber
hinaus umfasst die Pumpe 1 eine Labyrinthdichtung 9,
welche auf der Oberseite des Laufrads 5 angeordnet ist.
Die Labyrinthdichtung 9 erstreckt sich zwischen der Welle 4 bzw.
dem der Welle 4 zugewandten Bereich des Laufrads 5 und
einem Schaufelrücken 12. Die Labyrinthdichtung 9 ist separiert
zum Laufrad 5 angeordnet und an einem Gehäuse 10 fest
positioniert. Sie stellt somit eine feststehende Komponente der
Pumpe 1 dar. Das Laufrad 5 kann sich relativ zur
Labyrinthdichtung 9 bewegen.
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Die
Welle 4 ist an einem oberen Lager 11 und an einem
unteren Lager 12 gelagert.
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Der
Elektromotor der Pumpe, umfassend den Rotor 2 und den Stator 3,
ist so angeordnet, dass der Rotor 2 in einem Nassraum 13 angeordnet
ist, in dem das feucht nasse geförderte Medium, insbesondere
Anodenabgas, strömt.
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Ein
Spalttopf bzw. Spaltrohr 14 ist so in der Pumpe 1 angeordnet,
dass es den Nassraum 13 mit dem im geförderten
Medium umlaufenden und an der Welle 4 angeordneten Rotor 2 von
dem Stator 3 separiert. Dieses Spaltrohr 14 ist
heizbar.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass das Spaltrohr 14 selbst eine Heizeinheit
darstellt.
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Gemäß der
Darstellung in der Figur ist zu erkennen, dass sich das Spaltrohr 14 über
eine Länge (Ausdehnung in y-Richtung) erstreckt, dass es
sowohl das obere Lager 11 als auch das untere Lager 12 umgreift.
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Darüber
hinaus ist das Spaltrohr 14 an seinem oberen Ende 15 verjüngt
ausgebildet.
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Ein
unteres Ende 16 des Spaltrohrs 14 erstreckt sich
bis zur oder sogar in die Labyrinthdichtung 9 hinein.
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Es
kann vorgesehen sein, dass das Spaltrohr 14 zur Realisierung
der Heizeinheit aus leitfähigem Kunststoff, insbesondere
aus kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, dem
Russpartikel beigemengt sind. An den Enden 15 und 16 jeweils zum
Gehäuse der Pumpe 1 hin ist dieses Spaltrohr 14 bereichsweise
elektrisch isoliert und andererseits elektrisch kontaktiert. Dadurch
kann die elektrische Energie zur Aufheizung zugeführt werden.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Heizung dadurch realisiert ist,
dass ein oder mehrere Heizleiter an einer Außenseite 17 und/oder
in den Spalttopf bzw. das Spaltrohr 14 integriert ausgebildet sind.
Eine außenseitige Aufbringung kann durch eine Bedruckung
oder eine Galvanisierung ermöglicht sein, wobei bei einer
integralen Ausgestaltung ein Eingießen vorgesehen sein
kann. Die Anzahl und/oder die Geometrie und/oder die Positionierung der
Heizleiter am/in dem Spaltrohr 14 ist vorzugsweise abhängig
von der erforderlichen Betriebsspannung und/oder von der erforderlichen
Heizleistung vorgesehen. Auch diese Heizleiter sind dann elektrisch
kontaktiert, um die entsprechende Energie zur Aufheizung zuführen
zu können.
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Es
kann sowohl vorgesehen sein, dass das Spaltrohr 14 vollständig
aus leitfähigem Kunststoff oder lediglich bereichsweise
aus einem derartigen Material ausgebildet ist. Ist lediglich eine
bereichsweise Ausgestaltung des Spaltrohrs 14 mit einem leitfähigen
Kunststoff vorgesehen, so sind diese Stellen vorzugsweise definiert
ausgewählt, um wiederum im Hinblick auf erforderliche Betriebsspannung
und erforderliche Heizleistung geeignete Geometrie und Positionen
dieses leitfähigen Kunststoffbereichs vorgeben zu können.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die aufgebrachten und/oder integrierten
Heizleiter über das Magnetfeld des Stators 3 heizbar
sind. Vorzugsweise ist dann vorgesehen, dass zusätzlich
ein Schalter, insbesondere ein Thermoschalter ausgebildet ist, welcher
abhängig von der Temperatur ein Ein- und Ausschalten der
elektrischen Heizleiter ermöglicht.
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- 1
- Pumpe
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Welle
- 5
- Laufrad
- 6
- Schaufel
- 7,
8
- Seitenkanal
- 9
- Labyrinthdichtung
- 10
- Gehäuse
- 11,
12
- Lager
- 13
- Nassraum
- 14
- Spaltrohr
- 15,
16
- Enden
- A
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1315272
A2 [0002]
- - DE 4028765 C2 [0003]