DE102014215560B4

DE102014215560B4 - Gas compressor, in particular for a fuel cell system of a vehicle

Info

Publication number: DE102014215560B4
Application number: DE102014215560.6A
Authority: DE
Inventors: Oleg DERING; Manfred Stute
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: DE102014215560A1

Abstract

Ein Gasverdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, umfasst einen Elektromotor (18) mit einem in einem Motorgehäuse (20) angeordneten Stator (22) und einem in dem Motorgehäuse (20) um eine Drehachse (D) drehbaren und mit einer Rotorwelle (24) gekoppelten Rotor (26), ein durch die Rotorwelle (26) zur Drehung um die Drehachse (D) antreibbares Förderrad (38), ein das Motorgehäuse (20) und das Förderrad (38) umgebendes Verdichtergehäuse (16), wobei stromabwärts des Förderrads (38) zwischen dem Verdichtergehäuse (16) und dem Motorgehäuse (20) ein Gasströmungsraum (46) gebildet ist, wobei der Gasströmungsraum (46) einen vom Förderrad (38) weg im Wesentlichen radial nach außen sich erstreckenden ersten Strömungsraumbereich (48) und stromabwärts des ersten Strömungsraumbereichs (48) einen im Wesentlichen axial sich erstreckenden zweiten Strömungsraumbereich (52) umfasst.A gas compressor, in particular for a fuel cell system of a vehicle, comprises an electric motor (18) with a stator (22) arranged in a motor housing (20) and with a rotor shaft (24) rotatable about an axis of rotation (D) in the motor housing (20) ) coupled rotor (26), a through the rotor shaft (26) for rotation about the rotation axis (D) drivable conveying wheel (38), a motor housing (20) and the conveying wheel (38) surrounding the compressor housing (16), wherein downstream of the feed wheel (38) between the compressor housing (16) and the motor housing (20) a gas flow space (46) is formed, wherein the gas flow space (46) away from the feed wheel (38) substantially radially outwardly extending first flow space region (48) and downstream of the first flow space region (48) comprises a substantially axially extending second flow space region (52).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasverdichter, der beispielsweise dazu eingesetzt werden kann, in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs die zur Gewinnung elektrischer Energie in eine Brennstoffzelle einzuspeisende Luft zu fördern bzw. zu verdichten. Ferner kann ein derartiger Gasverdichter genutzt werden, um bei einem derartigen Brennstoffzellensystem Luft in einen Reformer zu speisen, in welchem Kohlenwasserstoff zur Erzeugung des im Energiegewinnungsprozess in einer Brennstoffzelle erforderlichen wasserstoffhaltigen Reformats aufgespalten wird. Ein derartiger Gasverdichter unterliegt im Förder- bzw. Verdichtungsbetrieb insbesondere aufgrund des Umstandes, dass ein Förderrad desselben mit einer maximalen Drehzahl von bis zu 100.000 U/min rotiert, sehr starken Belastungen, insbesondere thermischen Belastungen.The present invention relates to a gas compressor which can be used, for example, to promote or to compress in a fuel cell system of a vehicle the air to be fed into a fuel cell for the production of electrical energy. Furthermore, such a gas compressor can be used to feed air into a reformer in such a fuel cell system, in which hydrocarbon is split to produce the hydrogen-containing reformate required in the energy recovery process in a fuel cell. Such a gas compressor is subject in the conveying or compression operation, in particular due to the fact that a conveyor wheel of the same rotates at a maximum speed of up to 100,000 rev / min, very high loads, especially thermal loads.

Aus der DE 10 2012 221 298 A1 ist ein Gasverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welchem stromaufwärts des Förderrads zwischen dem Motorgehäuse und dem Stator des Elektromotors ein Gasströmungsraum gebildet ist. In der DE 10 2012 221 298 A1 sind das Verdichtergehäuse und das Motorgehäuse bevorzugt von einem Rumpfgehäuse gebildet.From the DE 10 2012 221 298 A1 a gas compressor according to the preamble of claim 1 is known in which upstream of the impeller between the motor housing and the stator of the electric motor, a gas flow space is formed. In the DE 10 2012 221 298 A1 the compressor housing and the motor housing are preferably formed by a hull housing.

Aus der DE 10 2007 053 162 A1 ist ein beispielsweise als Seitenkanalverdichter ausgebildeter Gasverdichter bekannt, welcher einem Brennstoffzellensystem zugeordnet und insbesondere in einem dem Anodenzweig zugeordneten Rezirkulationszweig zur Rückführung von Anodenabgas angeordnet sein kann.From the DE 10 2007 053 162 A1 For example, a gas compressor designed as a side channel compressor is known, which can be assigned to a fuel cell system and, in particular, can be arranged in a recirculation branch assigned to the anode branch for returning anode exhaust gas.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Gasverdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, bereitzustellen, bei welchem die im Verdichtungsbetrieb auftretenden Belastungen gemindert sind.It is the object of the present invention to provide a generic gas compressor, in particular for a fuel cell system of a vehicle, in which the loads occurring in the compression operation are reduced.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Gasverdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, umfassend einen Elektromotor mit einem in einem Motorgehäuse angeordneten Stator und einem in dem Motorgehäuse um eine Drehachse drehbaren und mit einer Rotorwelle gekoppelten Rotor, ein durch die Rotorwelle zur Drehung um die Drehachse antreibbares Förderrad, ein das Motorgehäuse und das Förderrad umgebendes Verdichtergehäuse, wobei stromabwärts des Förderrads zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Motorgehäuse ein Gasströmungsraum gebildet ist, wobei der Gasströmungsraum einen vom Förderrad weg im Wesentlichen nach radial außen sich erstreckenden ersten Strömungsraumbereich und stromabwärts des ersten Strömungsraumbereichs einen im Wesentlichen axial, also entlang der Drehachse, sich erstreckenden zweiten Strömungsraumbereich umfasst.According to the invention, this object is achieved by a gas compressor, in particular for a fuel cell system of a vehicle, comprising an electric motor with a stator arranged in a motor housing and a rotor rotatable in the motor housing about a rotation axis and coupled to a rotor shaft, rotating through the rotor shaft for rotation Rotary axis driven impeller, a surrounding the motor housing and the impeller compressor housing, wherein downstream of the impeller between the compressor housing and the motor housing, a gas flow space is formed, wherein the gas flow space away from the impeller substantially radially outwardly extending first flow space region and downstream of the first flow space region essentially axially, ie along the axis of rotation, extending second flow space region comprises.

Bei dem erfindungsgemäßen Gasverdichter wird das geförderte Medium, also beispielsweise Luft, auch dazu genutzt, durch Umströmung des das Förderrad antreibenden Elektromotors Wärme aus dem Bereich dieses Elektromotors abzuführen. Dies führt einerseits zu einer deutlichen thermischen Entlastung des Elektromotors bzw. des Gasverdichters an sich. Andererseits wird durch Aufnahme von Wärme das im Gasströmungsraum strömende und beispielsweise zu einer Brennstoffzelle bzw. einem Reformer geleitete Gas für die nachfolgenden Prozesse vorgewärmt, so dass diese effizienter ablaufen können.In the gas compressor according to the invention, the pumped medium, so for example air, also used to dissipate heat from the range of this electric motor by flow around the electric motor driving the impeller. On the one hand, this leads to a significant thermal relief of the electric motor or of the gas compressor per se. On the other hand, by absorbing heat, the gas flowing in the gas flow space and conducted, for example, to a fuel cell or a reformer, is preheated for the subsequent processes, so that they can run more efficiently.

Um die thermische Wechselwirkung mit dem Elektromotor möglichst effizient zu gestalten, wird vorgeschlagen, dass der erste Strömungsraumbereich die Drehachse im Wesentlichen ringartig umgebend ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass in diesem ersten Strömungsraumbereich das durch das Förderrad geförderte Gas in einem ringscheibenartigen Volumenbereich von radial innen nach radial außen strömen kann und dabei insbesondere auch entlang eines Bereichs einer Stirnseite des Elektromotors strömen kann.In order to make the thermal interaction with the electric motor as efficient as possible, it is proposed that the first flow space region is formed substantially annularly surrounding the axis of rotation. This means that in this first flow space region the gas conveyed by the delivery wheel can flow in a ring-disk-like volume region from radially inward to radially outward and in particular can also flow along a region of an end face of the electric motor.

Ferner kann eine effiziente thermische Wechselwirkung des im Gasströmungsraum strömenden Gases mit dem Elektromotor dadurch unterstützt werden, dass der zweite Strömungsraumbereich entlang der Drehachse im Wesentlichen zylindrisch sich erstreckend ausgebildet ist. In diesem zweiten Strömungsraumbereich kann also das Gas im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Erstreckungslänge des Elektromotors geführt werden und dabei Wärme aufnehmen und aus dem Bereich des Elektromotors abtragen.Furthermore, an efficient thermal interaction of the gas flowing in the gas flow space with the electric motor can be assisted by the fact that the second flow space area is designed to extend substantially cylindrically along the axis of rotation. In this second flow space region, therefore, the gas can be guided essentially along the entire axial extension length of the electric motor and thereby absorb heat and remove it from the region of the electric motor.

Die Verdichtungseffizienz und thermische Wechselwirkung des im Gasströmungsraum strömenden Gases mit dem Elektromotor können dadurch verbessert werden, dass der zweite Strömungsraumbereich wenigstens in einem Längenabschnitt desselben eine zunehmende Strömungsquerschnittsfläche aufweist. Der Übergang zwischen dem ersten Strömungsraumbereich und dem zweiten Strömungsraumbereich kann in einfacher Weise durch einen krümmungsartigen ersten Übergangsbereich bereitgestellt sein. Auch dieser krümmungsartig ausgebildete erste Übergangsbereich kann um die Drehachse ringartig sich erstreckend, vorzugsweise unterbrechungsfrei ausgebildet sein.The compression efficiency and thermal interaction of the gas flowing in the gas flow space with the electric motor can be improved by virtue of the fact that the second flow space region has an increasing flow cross-sectional area at least in a longitudinal section thereof. The transition between the first flow space region and the second flow space region can be provided in a simple manner by a curvature-like first transition region. Also, this curvature-like first transition region may be annularly extending around the axis of rotation, preferably formed without interruption.

Um den Eintritt des zu verdichtenden bzw. zu fördernden Gases in den Gasverdichter in einfacher Weise zu ermöglichen und dabei gleichzeitig auch eine baulich einfache und kompakte Integration eines Gasverdichters in ein Leitungssystem gewährleisten zu können, wird vorgeschlagen, dass im Verdichtergehäuse stromaufwärts des Förderrads ein Gaseinlass vorgesehen ist, vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zur Drehachse.In order to allow the entry of the gas to be compressed or conveyed in the gas compressor in a simple manner and at the same time To be able to ensure a structurally simple and compact integration of a gas compressor in a line system, it is proposed that a gas inlet is provided in the compressor housing upstream of the feed wheel, preferably substantially coaxially to the axis of rotation.

Stromabwärts des zweiten Strömungsraumbereichs kann ein im Wesentlichen nach radial innen sich erstreckender dritter Strömungsraumbereich vorgesehen sein. Der Übergang vom zweiten Strömungsraumbereich in den dritten Strömungsraumbereich kann beispielsweise in einem krümmungsartigen zweiten Übergangsbereich erfolgen. Durch das Führen des im Gasströmungsraum strömenden Gases im dritten Strömungsraumbereich nach radial innen kann der Elektromotor auch an seiner vom Förderrad abgewandten Stirnseite wenigstens bereichsweise von dem zu förderden Gas umströmt werden, um auch in diesem Bereich Wärme abzutragen.Downstream of the second flow space region, a third flow space region extending substantially radially inward can be provided. The transition from the second flow space region into the third flow space region can take place, for example, in a curvature-like second transition region. By guiding the gas flowing in the gas flow space in the third flow space region radially inward, the electric motor can also be flowed around on its end face remote from the feed wheel, at least in areas, by the gas to be conveyed, in order to remove heat in this area as well.

Zur Ableitung des Gases aus dem Gasströmungsraum wird vorgeschlagen, dass im Verdichtergehäuse stromabwärts des dritten Strömungsraumbereichs ein Gasauslass vorgesehen ist, vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zur Drehachse oder/und im Wesentlichen koaxial zu einem Gaseinlass. Insbesondere dann, wenn der Gasauslass auch koaxial zum Gaseinlass liegt, ist eine besonders einfache Integration des Gasverdichters in ein Leitungssystem möglich, da eine Gaszuführleitung und eine Gasabführleitung in einer Linie zueinander ausgerichtet sein können.For discharging the gas from the gas flow space, it is proposed that a gas outlet be provided in the compressor housing downstream of the third flow space region, preferably substantially coaxial to the axis of rotation and / or substantially coaxial with a gas inlet. In particular, when the gas outlet is also coaxial with the gas inlet, a particularly simple integration of the gas compressor in a line system is possible, since a gas supply and a Gasabführleitung can be aligned in a line to each other.

Zur Halterung des Elektromotors innerhalb des Verdichtergehäuses wird vorgeschlagen, dass der Elektromotor durch das Motorgehäuse an einer Innenseite des Verdichtergehäuses abstützende Abstützelemente bezüglich des Verdichtergehäuses axial oder/und radial abgestützt ist.For holding the electric motor within the compressor housing, it is proposed that the electric motor is supported by the motor housing on an inner side of the compressor housing supporting support elements with respect to the compressor housing axially and / or radially.

Das durch das Förderrad nach radial außen in den ersten Strömungsraumbereich geförderte Gas wird aufgrund der im Rotationsbetrieb des Förderrads auftretenden Fliehkräfte im ersten Strömungsraumbereich mit einer starken Umfangsströmungskomponente strömen und in dieser Art und Weise auch in den zweiten Strömungsraumbereich eintreten. Um Energieverluste durch zu starke Verwirbelung des geförderten bzw. verdichteten Gases im Gasströmungsraum zu vermeiden, wird weiter vorgeschlagen, dass wenigstens ein Teil der Abstützelemente in Strömungsrichtung langgestreckt ist und Strömungsleitflächen für im Gasströmungsraum strömendes Gas bereitstellt. Da zum Bereitstellen dieser Strömungsleitflächen Abstützelemente genutzt werden, können diese eine Doppelfunktion erfüllen, so dass weitere bauliche Maßnahmen zur Abstützung des Elektromotors im Verdichtergehäuse nicht erforderlich sind. Gleichwohl sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch zusätzlich zu beispielsweise keine Strömungsleitflächen bereitstellenden Abstützelementen Strömungsleitflächen an nicht zur Abstützung genutzten Vorsprüngen ausgebildet sein können.The gas conveyed radially outward into the first flow space region by the feed wheel will flow in the first flow space region with a strong circumferential flow component due to the centrifugal forces occurring in the rotary operation of the feed wheel and will also enter the second flow space region in this manner. In order to avoid energy losses due to excessive turbulence of the conveyed or compressed gas in the gas flow space, it is further proposed that at least a portion of the support elements is elongated in the flow direction and provides flow guide for gas flowing in the gas flow space. Since supporting elements are used to provide these flow control surfaces, they can fulfill a dual function, so that further structural measures for supporting the electric motor in the compressor housing are not required. It should nevertheless be pointed out that, of course, in addition to supporting elements providing no flow guide, for example, flow guide surfaces can also be formed on projections which are not used for supporting purposes.

Eine effiziente Umlenkung des mit ausgeprägter Umfangsströmungskomponente aus dem ersten Strömungsraumbereich austretenden Gases erreichen zu können, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Teil der, vorzugsweise wenigstens im zweiten Strömungsraumbereich oder/und im ersten Übergangsbereich vorgesehene Abstützelemente gekrümmte Strömungsleitflächen bereitstellen, wobei vorzugsweise die gekrümmten Strömungsleitflächen in ihrem stromabwärtigen Endbereich eine geringere Anstellung bezüglich einer in Axialrichtung aufweisen, als in ihrem stromaufwärtigen Endbereich.To be able to achieve an efficient deflection of the gas emerging with pronounced peripheral flow component from the first flow space region, it is proposed that at least part of the support elements provided at least in the second flow space region and / or in the first transition region provide curved flow guide surfaces, wherein preferably the curved flow guide surfaces in their downstream end portion having a smaller position relative to one in the axial direction than in its upstream end portion.

Gemäß einem weiteren sehr vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rotorwelle in wenigstens zwei in axialem Abstand zueinander liegenden Lagerbereichen durch Lageranordnungen drehbar gelagert ist, wobei bei wenigstens einer, vorzugsweise der dem Förderrad nächstliegend positionierten, Lageranordnung wenigstens eine diese überbrückende Druckentlastungsöffnung vorgesehen ist.According to a further very advantageous aspect of the present invention, it is proposed that the rotor shaft is rotatably supported in at least two axially spaced storage areas by bearing arrangements, wherein at least one, preferably the conveyor wheel next positioned bearing assembly at least one of these bridging pressure relief opening is provided ,

Obgleich derjenige Bereich, in welchem die Lageranordnungen für die Rotorwelle vorgesehen sind, von dem zu fördernden bzw. verdichtenden Gas grundsätzlich nicht durchströmt werden sollte, kann das Auftreten von Leckageströmungen durch diesen Volumenbereich nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden. Das Vorsehen der Druckentlastungsöffnungen verhindert eine zu starke Druckbelastung der Lageranordnungen, so dass der Abtrag von reibungsminderndem Schmiermittel aus dem Bereich der Lageranordnungen verhindert werden kann.Although the area in which the bearing arrangements are provided for the rotor shaft, should basically not be flowed through by the gas to be conveyed or compressed, the occurrence of leakage flows through this volume range can not be excluded in principle. The provision of the pressure relief openings prevents excessive pressure loading of the bearing arrangements, so that the removal of friction-reducing lubricant from the area of the bearing arrangements can be prevented.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gasverdichters kann vorgesehen sein, dass an einem ersten axialen Endberich der Rotorwelle das Förderrad getragen ist oder/und dass an einem zweiten axialen Endbereich der Rotorwelle ein vorzugsweise im Wesentlichen scheibenartiges Kühlelement getragen ist. Insbesondere das Vorsehen eines Kühlelements am zweiten Endbereich der Rotorwelle kann zu einer weiteren thermischen Entlastung durch Abführen von Wärme aus dem inneren Bereich des Elektromotors beitragen.In an advantageous embodiment of the gas compressor can be provided that at a first axial Endberich the rotor shaft, the impeller is worn and / or that at a second axial end portion of the rotor shaft, a preferably substantially disc-like cooling element is supported. In particular, the provision of a cooling element at the second end region of the rotor shaft can contribute to a further thermal relief by dissipating heat from the inner region of the electric motor.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kühlelement radial außerhalb der Rotorwelle in Wärmeübertragungskontakt mit einer Lageranordnung ist. Durch diesen Wärmeübertragungskontakt, also einen direkten körperlichen Kontakt unter Vermeidung von Zwischenräumen, wird eine verstärkte Wärmeabfuhr aus der thermisch ebenfalls stark belasteten Lageranordnung erreicht.It is particularly advantageous if the cooling element is radially outside the rotor shaft in heat transfer contact with a bearing assembly. Through this heat transfer contact, so a direct physical contact under Avoidance of gaps, an increased heat dissipation from the thermally also heavily loaded bearing assembly is achieved.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:The present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine prinzipartige Längsschnittdarstellung eines Gasverdichters; 1 a principle-like longitudinal sectional view of a gas compressor;

2 eine Radialansicht des in 1 erkennbaren Details X, geschnitten entlang einer Linie II-II in 1. 2 a radial view of the in 1 recognizable details X, cut along a line II-II in 1 ,

In 1 ist ein in prinzipartiger Längsschnittdarstellung erkennbarer Gasverdichter allgemein mit 10 bezeichnet. Der Gasverdichter 10 umfasst in einem beispielsweise mit zwei Gehäuseteilen 12, 14 aufgebauten Verdichtergehäuse 16 einen Elektromotor 18. Der Elektromotor 18 umfasst in einem Motorgehäuse 20 einen Stator 22 sowie einen an einer Rotorwelle 24 getragenen und mit dieser um eine Drehachse D drehbaren Rotor 26. Beidseits des Rotors 26 ist die Rotorwelle 24 in jeweiligen Lagerbereichen 28, 30 durch Lageranordnungen 32, 34 drehbar getragen. Im dargestellten Beispiel umfassen die Lageranordnungen 32, 34 Wälzkörperlager mit einem beispielsweise am Motorgehäuse 20 abgestützten Lageraußenring, einem mit der Rotorwelle 24 gekoppelten Lagerinnenring und dazwischen wirksamen Wälzkörpern, beispielsweise Kugeln. Eine der beiden Lageranordnungen 32, 34 kann als Loslager ausgebildet sein, um eine axiale Relativbewegbarkeit bezüglich des Motorgehäuses 20 zuzulassen.In 1 is a recognizable in principle like longitudinal sectional view of gas compressor generally with 10 designated. The gas compressor 10 includes in one, for example, with two housing parts 12 . 14 constructed compressor housing 16 an electric motor 18 , The electric motor 18 includes in a motor housing 20 a stator 22 and one on a rotor shaft 24 carried and with this about a rotational axis D rotatable rotor 26 , On both sides of the rotor 26 is the rotor shaft 24 in respective storage areas 28 . 30 through bearing arrangements 32 . 34 rotatably supported. In the illustrated example, the bearing assemblies include 32 . 34 Rolling element bearing with a example on the motor housing 20 supported bearing outer ring, one with the rotor shaft 24 coupled bearing inner ring and intermediate rolling elements, such as balls. One of the two bearing arrangements 32 . 34 can be designed as a floating bearing to an axial relative movement with respect to the motor housing 20 permit.

An einem in der 1 links dargestellten ersten axialen Endbereich 36 der Rotorwelle 24 ist ein schematisch dargestelltes Förderrad 38 getragen. Das Förderrad 38 liegt einer ersten axialen Stirnseite 40 des Motorgehäuses 20 mit geringem Abstand axial gegenüber und ist in einer vom Verdichtergehäuse 16 umgebenen Förderkammer 42 angeordnet. Beispielsweise koaxial zur Drehachse D kann im Verdichtergehäuse 16 ein den Eintritt von zu förderndem Gas G in die Förderkammer 42 zulassender Gaseinlass 44 vorgesehen sein.At one in the 1 left illustrated first axial end portion 36 the rotor shaft 24 is a schematically illustrated conveyor wheel 38 carried. The conveyor wheel 38 lies a first axial end face 40 of the motor housing 20 at a small distance axially opposite and is in one of the compressor housing 16 surrounded delivery chamber 42 arranged. For example, coaxial with the axis of rotation D can in the compressor housing 16 an entry of gas G to be conveyed into the delivery chamber 42 permitting gas inlet 44 be provided.

Stromabwärts der Förderkammer 42 bzw. des Förderrads 38 ist zwischen dem Verdichtergehäuse 16 und dem Motorgehäuse 20 ein Gasströmungsraum 46 gebildet. Der Gasströmungsraum 46 umfasst anschließend an den Förderraum 42 bzw. anschließend an den radial äußeren Bereich des Förderrads 38 einen ersten Strömungsraumbereich 48. Der erste Strömungsraumbereich 48 ist im Wesentlichen radial orientiert, weist vorteilhafterweise also eine plane, ringscheibenartige Gestalt auf und führt das vom Förderrad 38 nach radial außen abgegebene Gas in Richtung von radial innen nach radial außen in einen krümmungsartigen ersten Übergangsbereich 50. In diesem krümmungsartig ausgebildeten ersten Übergangsbereich 50 geht der erste Strömungsraumbereich 48 über in einen zweiten Strömungsraumbereich 52. Dieser stromabwärts des ersten Strömungsraumbereichs 48 liegende zweite Strömungsraumbereich 52 erstreckt sich im Wesentlichen entlang der Drehachse D und weist eine näherungsweise zylindrische, also das Motorgehäuse 20 vorteilhafterweise über dessen ganzen Umfang umgebende Gestalt auf.Downstream of the delivery chamber 42 or the conveyor wheel 38 is between the compressor housing 16 and the motor housing 20 a gas flow space 46 educated. The gas flow space 46 then includes the delivery room 42 or subsequently to the radially outer region of the feed wheel 38 a first flow space area 48 , The first flow space area 48 is substantially radially oriented, thus advantageously has a plane, annular disk-like shape and leads from the feed wheel 38 radially outwardly emitted gas in the direction from radially inward to radially outward in a curvature-like first transition region 50 , In this curvature-like first transition region 50 goes the first flow space area 48 over into a second flow space area 52 , This downstream of the first flow space area 48 lying second flow space area 52 extends substantially along the axis of rotation D and has an approximately cylindrical, so the motor housing 20 advantageously over its entire circumference surrounding shape.

Der erste Strömungsraumbereich 48 könnte abweichend von der in der 1 dargestellten Ausgestaltung auch eine in Axialrichtung angestellte, also konische Formgebung aufweisen, sich jedoch gleichwohl von radial innen nach radial außen erstrecken, so dass grundsätzlich die Struktur eines Diagonalverdichters erhalten wird. Auch eine gekrümmte Erstreckung von radial innen nach radial außen ist möglich.The first flow space area 48 could deviate from that in the 1 embodiment shown also have an employed in the axial direction, ie conical shape, but nevertheless extend from radially inward to radially outward, so that basically the structure of a diagonal compressor is obtained. A curved extension from radially inward to radially outward is also possible.

In einem zweiten krümmungsartigen Übergangsbereich 54 geht der radial außen im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Länge des Motorgehäuses 20 führende zweite Strömungsraumbereich 52 in einen wieder nach radial innen führenden, also von radial außen nach radial innen, im dargestellten Beispiel jedoch mit geringer axialer Anstellung bezüglich der Drehachse D sich erstreckenden dritten Strömungsraumbereich 56 über. Im dritten Strömungsraumbereich 56 wird das den Gasströmungsraum 46 durchströmende Gas wieder nach radial innen entlang einer zweiten axialen Stirnseite 58 des Motorgehäuses 20 geführt, wobei diese zweite axiale Stirnseite 58 beispielsweise an einem Gehäusedeckel 60 des Motorgehäuses 20 vorgesehen sein kann.In a second curvature-like transition region 54 is the radially outward substantially along the entire axial length of the motor housing 20 leading second flow area 52 in a back to radially inwardly leading, that is from radially outside to radially inside, in the example shown, however, with a small axial adjustment with respect to the axis of rotation D extending third flow space area 56 above. In the third flow space area 56 this will be the gas flow space 46 flowing gas again radially inward along a second axial end face 58 of the motor housing 20 guided, with this second axial end face 58 for example, on a housing cover 60 of the motor housing 20 can be provided.

Auf den dritten Strömungsraumbereich 56 folgt ein beispielsweise zur Drehachse D bzw. auch zum Gaseinlass 44 koaxial liegender Gasauslass 62. Da der Gaseinlass 44 und der Gasauslass 62 somit in einer Linie zueinander liegen, kann der Gasverdichter 10 in einfacher Weise in ein Leitungssystem integriert werden.On the third flow area 56 follows, for example, to the axis of rotation D or to the gas inlet 44 coaxial gas outlet 62 , Because the gas inlet 44 and the gas outlet 62 Thus, in a line to each other, the gas compressor 10 be easily integrated into a pipe system.

Zur Abstützung des Elektromotors 18 im Verdichtergehäuse 16 kann eine Mehrzahl von Abstützelementen vorgesehen sein. Beispielsweise können nahe der ersten axialen Stirnseite 40 am Außenumfang des Motorgehäuses 20 im zweiten Strömungsraumbereich 52, ggf. sich auch in den Übergangsbereich 50 hineinerstreckend, rippenartige Abstützvorsprünge 64 vorgesehen sein. Die rippenartigen Abstützvorsprünge 64 sind in der Strömungsrichtung des den Gasströmungsraum 46 durchströmenden Gases G langgestreckt und können, wie in 2 erkennbar, abgekrümmt sein, um mit jeweiligen in der gleichen Richtung abgekrümmten Strömungsleitflächen 66, 68 bzw. zwischen in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Abstützelementen 64 gebildeten, abgekrümmten Strömungsleitkanälen 70 eine Umlenkung des mit ausgeprägter Umfangsströmungskomponente den ersten Strömungsraumbereich 48 verlassenden Gases G im Wesentlichen in axiale Richtung zu bewirken. Diese rippenartig z. B. mit Tropfenform ausgebildeten Abstützelemente 64 erfüllen also nicht nur die Funktionalität zum radialen Abstützen und Positionieren des Elektromotors 18 im Verdichtergehäuse 16, sondern sorgen gleichzeitig für eine Vergleichmäßigung der Gasströmung bzw. Ausrichtung der Gasströmung in axialer Richtung.To support the electric motor 18 in the compressor housing 16 may be provided a plurality of support elements. For example, near the first axial end face 40 on the outer circumference of the motor housing 20 in the second flow space area 52 , possibly also in the transition area 50 hineinerstreckend, rib-like support projections 64 be provided. The rib-like support projections 64 are in the flow direction of the gas flow space 46 durchströmenden gas G elongated and can, as in 2 be recognizable, curved to be curved with respective ones in the same direction flow guide 66 . 68 or between circumferentially successive support elements 64 formed, curved flow channels 70 a deflection of the pronounced circumferential flow component, the first flow space region 48 leaving gas G to effect substantially in the axial direction. This rib-like z. B. formed with teardrop support elements 64 So not only fulfill the functionality for radial support and positioning of the electric motor 18 in the compressor housing 16 but at the same time ensure equalization of the gas flow or orientation of the gas flow in the axial direction.

Stromabwärts dieser rippenartigen Abstützelemente 64 können im zweiten Strömungsraumbereich 52 weitere rippenartige Abstützelemente 72 vorgesehen sein, um eine radiale Abstützung bzw. Positionierung des Elektromotors 18 über einen größeren Erstreckungsbereich desselben zu erreichen. Diese rippenartigen Abstützelemente 72 sind vorteilhafterweise geradlinig sich in Richtung der Drehachse D erstreckend ausgerichtet und führen das im zweiten Strömungsraumbereich 52 strömende Gas im Wesentlichen axial zum zweiten Übergangsbereich 54 und somit auch in den dritten Strömungsraumbereich 56.Downstream of this rib-like support elements 64 can in the second flow space area 52 further rib-like support elements 72 be provided to a radial support or positioning of the electric motor 18 over a larger extent range of the same. These rib-like support elements 72 are advantageously aligned rectilinearly extending in the direction of the axis of rotation D and perform that in the second flow space area 52 flowing gas substantially axially to the second transition region 54 and thus also in the third flow space area 56 ,

Im dritten Strömungsraumbereich 56 sind beispielsweise am Gehäusedeckel 60 des Motorgehäuses 20 vorgesehene weitere rippenartige Abstützelemente 74 vorgesehen. Diese stützen sich an einer kegelstumpfartigen Innenoberfläche 76 des Gehäuseteils 14 des Verdichtergehäuses 16 ab und bewirken somit einerseits eine radiale Zentrierung, andererseits auch eine axiale Abstützung. Die axiale Abstützung in der entgegengesetzten Axialrichtung erfolgt über stift- oder bolzenartige Abstützelemente 78, die zwischen der axialen Stirnseite 40 des Motorgehäuses 20 und einer zusammen mit dieser den ersten Strömungsraumbereich 48 begrenzenden, im Wesentlichen radial verlaufenden Innenoberfläche 80 des Gehäuseteils 12 des Verdichtergehäuses 16 wirken. Diese Abstützelemente 78 können als separate Bauteile ausgeführt sein und beispielsweise zu radialen Halterungen in diese aufnehmende Öffnungen im Motorgehäuse 20 oder/und im Gehäuseteil 14 des Verdichtergehäuses 16 eingreifend positioniert sein. Auch die oder zumindest ein Teil der Abstützelemente 78 kann die vorangehend mit Bezug auf die Abstützvorsprünge 64 beschriebene langgestreckte, ggf. auch gekrümmte, beispielsweise tropfenartige Formgebung aufweisen. Das heißt, die oder ein Teil der Abstützelemente 78 kann auch Strömungsleitflächen mit dazwischen gebildeten Strömungsleitkanälen bereitstellen, um bereits in demjenigen Volumenbereich, in welchen das Gas G von radial innen nach radial außen strömt, eine definierte Strömungsrichtung erreichen zu können.In the third flow space area 56 are for example on the housing cover 60 of the motor housing 20 provided further rib-like support elements 74 intended. These are based on a frustoconical inner surface 76 of the housing part 14 of the compressor housing 16 thus causing on the one hand a radial centering, on the other hand also an axial support. The axial support in the opposite axial direction via pin or bolt-like support elements 78 between the axial end face 40 of the motor housing 20 and one together with this the first flow space area 48 limiting, substantially radially extending inner surface 80 of the housing part 12 of the compressor housing 16 Act. These support elements 78 can be designed as separate components and, for example, to radial brackets in these receiving openings in the motor housing 20 and / or in the housing part 14 of the compressor housing 16 be positioned engaging. Also, or at least part of the support elements 78 can be described above with respect to the support projections 64 having elongated, possibly also curved, for example, teardrop-like shape described. That is, the or part of the support elements 78 can also provide flow guide with flow guide channels formed therebetween, in order to achieve a defined flow direction already in that volume range in which the gas G flows from radially inward to radially outward.

Eine alternative Art der Axialhalterung des Elektromotors 18 im Verdichtergehäuse 16 ist im unteren Teil der 1 gezeigt. Man erkennt hier, dass die nahe der ersten axialen Stirnseite 40 positionierten rippenartigen Abstützelemente 64' eine Radialstufe 82 aufweisen, mit welcher sie in axialer Richtung an einer entsprechenden Radialstufe 84 des Gehäuseteils 12 des Verdichtergehäuses 16 axial abgestützt sind. Entsprechend ist in Zuordnung zu den im dritten Strömungsraumbereich 56 vorgesehenen rippenartigen Abstützelementen 74' am Gehäuseteil 14 des Verdichtergehäuses 16 eine Radialstufe 86 vorgesehen, an welcher die mit Axialabstand zum Gehäuseteil 14 vorgesehenen rippenartigen Abstützelemente 74' sich in axialer Richtung abstützen können. Durch eine radiale Beabstandung zum Gehäuseteil 14 wird eine Überbestimmung in der Radialpositionierung vermieden, welche grundsätzlich bereits durch die im zweiten Strömungsraumbereich 52 vorgesehenen rippenartigen Abstützelemente 74' bzw. 72' realisiert ist.An alternative type of axial support of the electric motor 18 in the compressor housing 16 is in the lower part of the 1 shown. It can be seen here that the close to the first axial end face 40 positioned rib-like support elements 64 ' a radial stage 82 have, with which they in the axial direction at a corresponding radial stage 84 of the housing part 12 of the compressor housing 16 are axially supported. Accordingly, in association with those in the third flow space area 56 provided rib-like support elements 74 ' on the housing part 14 of the compressor housing 16 a radial stage 86 provided at which the axial distance to the housing part 14 provided rib-like support elements 74 ' can be supported in the axial direction. By a radial spacing to the housing part 14 an over-determination in the radial positioning is avoided, which in principle already by the in the second flow space area 52 provided rib-like support elements 74 ' respectively. 72 ' is realized.

Durch den um das Motorgehäuse 20 des Elektromotors 18 herum führenden Gasströmungsraum 46 mit seinem ersten Strömungsraumbereich 48, seinem zweiten Strömungsraumbereich 52 und seinem dritten Strömungsraumbereich 56 wird eine effiziente Kühlung des Elektromotors 18 im Wesentlichen an dessen gesamter Außenseite erzielt. Für einen effizienten Wärmeübertrag vom Motorgehäuse 20 auf das den Gasströmungsraum 46 durchströmende Gas sorgen, insbesondere auch die rippenartig ausgebildeten Abstützelemente 64, 72 und 74 bzw. 64', 72' und 74', welche nicht nur die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößern, sondern auch eine Wärmeleitung vom Motorgehäuse 20 in das Gebläsegehäuse 16 bereitstellen. Für eine effiziente Wärmeabfuhr bzw. auch einen effizienten Verdichtungsbetrieb des Gasverdichters 10 sorgt auch der insbesondere im Bereich des zweiten Strömungsraumbereichs 52 zunehmende Strömungsquerschnitt des Gasströmungsraums. Um dies zu erreichen, kann bei beispielsweise zylindrischer Ausgestaltung der Innenoberfläche des Verdichtergehäuses 16 das Motorgehäuse 20 in Richtung zum Gasauslass 62 hin sich verjüngend ausgebildet sein.By the around the motor housing 20 of the electric motor 18 around leading gas flow space 46 with its first flow space area 48 , its second flow space area 52 and its third flow space area 56 will be an efficient cooling of the electric motor 18 achieved substantially on the entire outside. For efficient heat transfer from the motor housing 20 on the gas flow space 46 flow through gas, especially the rib-like support elements 64 . 72 and 74 respectively. 64 ' . 72 ' and 74 ' which not only increase the surface area available for heat transfer, but also heat conduction from the motor housing 20 in the blower housing 16 provide. For an efficient heat dissipation or an efficient compression operation of the gas compressor 10 also ensures that in particular in the region of the second flow space area 52 increasing flow area of the gas flow space. To achieve this, for example, cylindrical configuration of the inner surface of the compressor housing 16 the motor housing 20 towards the gas outlet 62 be formed tapering towards.

In 1 ist weiter am in dieser Darstellung rechts, also vom Förderrad 38 abgewandt liegenden Endbereich 88 der Rotorwelle 24 ein vorzugsweise kreisscheibenartig ausgebildetes Kühlelement 90 erkennbar. Das Kühlelement 90 ist auf die Rotorwelle 24 aufgesetzt und vorteilhafterweise mit dieser drehbar. Das Kühlelement 90 stellt mit seiner Oberfläche eine vergrößerte Oberfläche zur Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Rotorwelle 24, insbesondere dem Bereich der Lageranordnung 34 bereit. Um die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Lageranordnung 34 weiter zu verbessern, ist das Kühlelement 90 so positioniert, dass es mit einem radial inneren, auf die Rotorwelle 24 beispielsweise aufgepressten Montagebereich 92 die Lageranordnung 34, insbesondere einen inneren Lagerring derselben, kontaktiert und somit zur Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung beitragen kann. Es sei hier darauf hingewiesen, dass dieser direkte körperliche Kontakt auch durch Zwischenlagerung eines ringscheibenartigen Einlageelements erfolgen kann.In 1 is further on in this illustration right, so from the conveyor wheel 38 facing away end region 88 the rotor shaft 24 a preferably circular disc-shaped cooling element 90 recognizable. The cooling element 90 is on the rotor shaft 24 placed and advantageously rotatable with this. The cooling element 90 With its surface provides an enlarged surface for heat removal from the rotor shaft area 24 , in particular the area of the bearing arrangement 34 ready. To the heat removal from the area of the bearing assembly 34 To further improve, is the cooling element 90 positioned so that it has a radially inner, on the rotor shaft 24 for example, pressed-on mounting area 92 the bearing arrangement 34 , in particular an inner bearing ring thereof, contacted and thus can contribute to the heat dissipation by heat conduction. It should be noted here that this direct physical contact can also be done by intermediate storage of an annular disc-like insert element.

Weiter ist in 1 erkennbar, dass in Zuordnung den Lageranordnungen 32, 34 Druckentlastungsöffnungen 94, 96 vorgesehen sind. Diese Druckentlastungsöffnungen 94, 96 bilden einen Bypass-Strömungsweg, welcher die gegen Durchströmung nicht gekapselten Lageranordnungen 32, 34 umgeht und somit dafür sorgt, dass Druckdifferenzen an den beiden axialen Seiten der Lageranordnungen 32, 34 nicht entstehen können. Somit wird vermieden, dass durch derartige möglicherweise sich aufbauende Druckdifferenzen im Bereich der Lageranordnungen 32, 34 vorhandenes Schmiermittel aus diesen Lageranordnungen heraus gepresst wird, was einerseits das Betriebsverhalten des Elektromotors 18 beeinträchtigt, andererseits die Gefahr einer nicht ausreichenden Schmierung der Lageranordnungen 32, 34 mit sich bringen könnte.Next is in 1 recognizable that in association with the bearing arrangements 32 . 34 Pressure relief openings 94 . 96 are provided. These pressure relief holes 94 . 96 form a bypass flow path, which the not encapsulated against flow storage arrangements 32 . 34 bypasses and thus ensures that pressure differences on the two axial sides of the bearing assemblies 32 . 34 can not arise. Thus, it is avoided that such possibly developing pressure differences in the area of the bearing arrangements 32 . 34 Existing lubricant is pressed out of these bearing assemblies, which on the one hand the performance of the electric motor 18 on the other hand, the risk of insufficient lubrication of the bearing assemblies 32 . 34 could bring with it.

Der erfindungsgemäße Gasverdichter sieht unter Ausnutzung des Prinzip eines Radialverdichters eine kompakte Bauweise bei gleichzeitig autarker, durch das zu fördernde Medium bereitgestellter Kühlwirkung vor. Der Gasverdichter kann in einfacher Weise in ein Leitungssystem integriert werden und ist besonders geeignet, um in Brennstoffzellensystemen Luft zu einer Brennstoffzelle bzw. zu einem Reformat für eine Brennstoffzelle bereitstellenden Reformer zu leiten. Selbstverständlich kann ein derartiger Gasverdichter auch in jedwedem anderen Anwendungsbereich zum Einsatz kommen, in welchem ein auch eine Kühlwirkung bereitstellendes gasförmiges Medium gefördert werden kann, beispielsweise im Bereich der elektrischen Motoraufladung, im Bereich von Luftfördereinrichtungen allgemein, bzw. bei elektrischen Kompressoren.Taking advantage of the principle of a radial compressor, the gas compressor according to the invention provides a compact design with at the same time self-sufficient cooling effect provided by the medium to be delivered. The gas compressor can be easily integrated into a pipeline system and is particularly suitable for conducting air in fuel cell systems to a fuel cell or reformer for a fuel cell providing reformer. Of course, such a gas compressor can also be used in any other application in which a gaseous medium which also provides a cooling effect can be conveyed, for example in the field of electric motor charging, in the area of air conveyors in general, or in electric compressors.

Claims

Gas compressor, in particular for a fuel cell system of a vehicle, comprising: - an electric motor ( 18 ) with one in a motor housing ( 20 ) arranged stator ( 22 ) and one in the motor housing ( 20 ) about a rotational axis (D) rotatable and with a rotor shaft ( 24 ) coupled rotor ( 26 ), - through the rotor shaft ( 24 ) for rotation about the axis of rotation (D) drivable conveyor wheel ( 38 ), - a conveyor wheel ( 38 ) surrounding compressor housing ( 16 ), characterized in that downstream of the feed wheel ( 38 ) between which the motor housing ( 20 ) surrounding compressor housing ( 16 ) and the motor housing ( 20 ) a gas flow space ( 46 ), wherein the gas flow space ( 46 ) one from the conveyor wheel ( 38 ) away substantially radially outwardly extending first flow space region ( 48 ) and downstream of the first flow space region (FIG. 48 ) a substantially along the axis of rotation (D) extending second flow space area ( 52 ).

Gas compressor according to claim 1, characterized in that the first flow space region ( 48 ) the rotational axis (D) is designed to surround substantially in the manner of a ring, or / and that the second flow space region (FIG. 52 ) is formed substantially cylindrically extending along the axis of rotation (D), and / or that the second flow space region ( 52 ) has an increasing flow cross-sectional area at least in a longitudinal section thereof, and / or in that the first flow space region ( 48 ) in a curvature-like first transition region ( 50 ) into the second flow area ( 52 ) passes over.

Gas compressor according to claim 1 or 2, characterized in that in the compressor housing ( 16 ) upstream of the conveyor wheel ( 38 ) a gas inlet ( 44 ) is provided, preferably substantially coaxial with the axis of rotation (D).

Gas compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that downstream of the second flow space region ( 52 ) a substantially radially inwardly extending third flow space area ( 56 ) is provided.

Gas compressor according to claim 4, characterized in that the second flow space region ( 52 ) in a curvature-like second transition region ( 54 ) into the third flow space region ( 56 ) passes over.

Gas compressor according to claim 4 or claim 5, characterized in that in the compressor housing ( 16 ) downstream of the third flow space region (FIG. 56 ) a gas outlet ( 62 ) is provided, preferably substantially coaxial with the axis of rotation (D) and / or substantially coaxial with a gas inlet ( 44 ).

Gas compressor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electric motor ( 18 ) through the motor housing ( 20 ) on an inside of the compressor housing ( 16 ) supporting supporting elements ( 78 . 64 . 72 . 74 ; 64 ' . 72 ' . 74 ' ) with respect to the compressor housing ( 16 ) is supported axially and / or radially.

Gas compressor according to claim 7, characterized in that at least a part of the supporting elements ( 64 . 72 . 74 ; 64 ' . 72 ' . 74 ' ) is elongated in the flow direction and provides flow guidance for gas flowing in the gas flow space.

Gas compressor according to claim 8, characterized in that at least a part of, preferably at least in the second flow space region ( 52 ) and / or in the first transitional area ( 50 ) provided supporting elements ( 64 ; 64 ' ) curved flow control surfaces ( 66 . 68 ), wherein preferably the curved flow guide surfaces ( 66 . 68 ) in its downstream end region have a smaller position relative to one in the axial direction than in its upstream end region.

Gas compressor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the rotor shaft ( 24 ) in at least two axially spaced storage areas ( 28 . 30 ) by storage arrangements ( 32 . 34 ) is rotatably mounted, wherein at least one, preferably the conveyor wheel ( 38 ) next positioned, bearing assembly ( 32 . 34 ) at least one of these pressure-bridging opening ( 94 . 96 ) is provided.

Gas compressor according to one of claims 1 to 10, characterized in that at a first axial Endberich ( 36 ) of the rotor shaft ( 24 ) the conveyor wheel ( 38 ) and / or that at a second axial end region ( 88 ) of the rotor shaft ( 24 ) a preferably substantially disc-like cooling element ( 90 ) is worn.

Gas compressor according to one of claims 10 and 11, characterized in that the cooling element ( 90 ) radially outside the rotor shaft ( 24 ) in heat transfer contact with a bearing assembly ( 34 ).