DE102017208279A1

DE102017208279A1 - Strahlpumpe

Info

Publication number: DE102017208279A1
Application number: DE102017208279.8A
Authority: DE
Inventors: Armin Richter; Jochen Wessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-11-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahlpumpe (10) zur Förderung eines ersten gasförmigen Mediums (26) eines Brennstoffzellensystems. Die Strahlpumpe (10) umfasst ein Gehäuse (11) und ein relativ zu diesem bewegbares Ankerteil (12). Das Ankerteil (12) bildet im Strömungspfad (27) eines zweiten gasförmigen Mediums (32) mit einer Anschlaghülse (60) einen Ringspalt (28), dessen Spalthöhen (36, 38) variierbar sind. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Strahlpumpe in einem Brennstoffzellensystem.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strahlpumpe, welche insbesondere an Brennstoffzellensystemen eingesetzt wird und dort beispielsweise zur bedarfsgerechten Regelung eines Rezirkulates, beispielsweise eines gasförmigen Mediums eingesetzt wird. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Verwendung der Strahlpumpe in einem Bren nstoffzellensystem.
Stand der Technik
Aus US 7,687,171 B2 ist ein Mehrstufen-Ejektor für ein Brennstoffzellensystem bekannt, der zumindest einen Ejektorhauptkörper zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst, wobei ein jeder der Ejektorkörper eine Anzahl von Düsen umfasst, die hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei vorbestimmte Lücken gelassen sind, deren Durchmesser an den entsprechenden Düsen sich vergrößern gesehen von einer Einlassseite des Ejektorhauptkörpers zu einer auswärtigen Seite desselben. Des Weiteren ist eine Anzahl von Unter-Einlässen gebildet auf einer äußeren Oberfläche des Ejektorhauptkörpers, der mit der Lücke oder den Lücken zwischen den einzelnen Düsen verbunden ist. In einem Gehäuse ist der Ejektorhauptkörper aufgenommen und umfasst einen Haupteinlass für die Aufnahme von rezirkuliertem Wasserstoff. Der Mehrstufen-Ejektor verbessert eine Systemleistung durch die Steigerung des der Menge rezirkulierten Wasserstoffs. Weiterhin wird zumindest ein Sicherheitsventil an einer Einlassposition des Ejektors vorgesehen, um definitiv den Rückstrom rezirkulierten Wasserstoffgases zu verhindern. Es ist zumindest eine Heizeinrichtung vorgesehen, die sich um den Ejektor erstreckt, um die Kaltstartfähigkeit zu verbessern.
US 8,999,593 B2 bezieht auf einen Ejektor für eine Brennstoffzelle. Der Ejektor wird an einer Brennstoffzelle eingesetzt und umfasst einen Ejektorhauptkörper mit einem Einlassanschluss, einem Auslassanschluss, einem Sauganschluss und einem Anschluss für ein oxidierendes Gas. Ferner sind drei Kammern im Körper vorgesehen, sowie eine Düse mit einem Düsenloch, über welche das Brennstoffgas ausströmt, ferner ein Diffusor, welcher das über die Düse zugeführte Brennstoffgas und das von der Brennstoffzelle abgegebene Gas mischt und zum Sauganschluss zurückführt. Ferner ist ein nadelförmiges Bauteil auf einer Seite des Körpers aufgenommen, welches sich axial entlang der Düse erstreckt in einen in dieser vorgesehenen Hohlraum. Es sind ein erstes und ein zweites Diaphragma angeordnet, die einander gegenüberliegen.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Strahlpumpe zur Förderung eines ersten gasförmigen Mediums in einem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Die Strahlpumpe umfasst ein Gehäuse und ein relativ zu diesem bewegbares Ankerteil. Das Ankerteil bildet im Strömungspfad eines zweiten gasförmigen Mediums zusammen mit einer Anschlaghülse einen Ringspalt, dessen Spalthöhe variierbar ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe wird das erste gasförmige Medium, bei dem es sich beispielsweise um ein H₂-Rezirkulat aus einem Brennstoffstapel handeln kann, mittels eines zweiten gasförmigen Mediums, bei dem es sich um eine H₂-Zuströmung handeln kann, gefördert, wobei durch die Variation der Spalthöhe innerhalb der Strahlpumpe eine Regelung der Strömungsgeschwindigkeit des ersten gasförmigen Mediums, insbesondere eines H₂-Rezirkulates erreicht werden kann.
In vorteilhafter Weise umfasst die Strahlpumpe das Ankerteil, welches durch ein innerhalb eines Magnetkerns aufgenommenes Stellelement, insbesondere einer Magnetspule, in axiale Richtung betätigbar ist. Die axiale Betätigungsmöglichkeit des Ankerteiles, d.h. dessen Axialverschiebung innerhalb der Strahlpumpe, ermöglicht die Variation der Größe der Spalthöhe und damit eine Variation der Zuströmgeschwindigkeit des zweiten gasförmigen Mediums, durch welche das erste gasförmige Medium gefördert wird.
In vorteilhafter Weise ist in der Strahlpumpe ein Magnetkreis ausgeführt, der durch das Gehäuse, den Magnetkern und die Magnetspule gebildet ist. Der Magnetkreis ist durch mindestens eine Edelstahlhülse und ein oder mehrere Dichtelemente vom Strömungspfad des zweiten gasförmigen Mediums getrennt.
In einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe umfasst das Ankerteil, welches den Ringspalt im Strömungspfad des zweiten gasförmigen Mediums begrenzt, mindestens eine Öffnung, die vom zweiten gasförmigen Medium passiert wird. Es besteht jedoch in einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die Möglichkeit, das Ankerteil derart auszubilden, dass dieses ohne eine Öffnung ausgeführt ist.
Für den Fall, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe sich im unbestromten Zustand befindet, wird das Ankerteil durch ein Federelement auf mechanischem Wege an die Anschlaghülse angestellt. In diesem Falle strömt das zweite gasförmige Medium bei unbestromtem Stellelement über eine zweite im Ankerteil ausgeführte Öffnung in den Ringspalt ein, der im unbestromten Zustand des Stellelementes eine erste Spalthöhe einnimmt. Dies bedeutet, dass im unbestromten Zustand des insbesondere als Magnetspule ausgebildeten Stellelementes ein Mindestzustrom des zweiten gasförmigen Mediums in eine zentrale Öffnung bzw. einen zentralen Strömungskanal der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe sichergestellt ist, so dass stets eine Förderung einer Mindestmenge des ersten gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um H₂-Rezirkulat aus einem Brennstoffstapel handelt, sichergestellt ist.
Beispielsweise liegt eine erste Spalthöhe im Ringspalt zwischen einer Außenseite des Ankerteiles und einer Außenseite der Anschlaghülse der Strahlpumpe in der Größenordnung, bevorzugt zwischen 30 µm und 140 µm, je nach Auslegung des Ringspaltes bzw. je nach Ausbildung der zweiten im Ankerteil ausgeführten Öffnung im Strömungspfad des zweiten gasförmigen Mediums. Das Verhältnis zwischen der Fläche des Strömungsquerschnitts, in dem das Rezirkulat strömt, bezogen auf die Fläche des Ringspaltes, d.h. das Verhältnis von A_Rezi/ A_Ringspalt liegt in einem Bereich von 17 bis 50 für eine Nadel mit einem Durchmesser von 8 mm, einem Druckniveau, welches zwischen 8 bis 16 bar liegt, bei einem Druckverlust über den Brennstoffzellenstapel zwischen 0,1 bar bis 0,3 bar und einem Treibmassenstrom, der zwischen 0,5 bis 3 g/s beträgt. Da das Verhältnis der Strömungsquerschnitt A_Rezi / A_Ringspalt in einem Bereich zwischen 17 bis 50 geändert werden kann, lassen sich dementsprechende Strömungsgeschwindigkeiten einstellen, so dass durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Treibgasstromes von gasförmigem H₂ aus dem Ringspalt der Massenstrom des Rezirkulates, welcher in dem zentralen Strömungskanal des Förderaggregates strömt, variiert werden kann. Die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten rühren mithin aus den unterschiedlichen Strömungsquerschnitten bzw. aus dem Verhältnis von A_Rezi/ A_Ringspalt.
Zur Einstellung unterschiedlicher Spalthöhen zwischen der Außenseite des Ankerteiles und der diesem zuweisenden Seite einer beispielsweise gestuft ausgebildeten Anschlaghülse, kann das Ankerteil an seiner dem Strömungspfad des zweiten gasförmigen Mediums zuweisenden Seite mindestens einen Absatz, beispielsweise ausgebildet als eine Durchmessererhöhung am Ankerteil, aufweisen. Dieser mindestens eine Absatz erstreckt sich parallel zur Symmetrieachse der Strahlpumpe. Alternativ dazu kann die Außenseite des Ankerteiles der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe auch derart ausgebildet sein, dass sich an dieser beispielsweise ein sich parallel zur Symmetrieachse erstreckender horizontaler Absatzabschnitt ausgeführt ist sowie ein sich senkrecht zur Symmetrieachse erstreckender vertikaler Absatzabschnitt anschließt. Beide Ausführungsvarianten sind fertigungstechnisch besonders einfach und ohne großen Aufwand realisierbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe bildet entsprechend der Bestromung des Stellelementes, das Ankerteil mit der Anschlaghülse eine zweite Spalthöhe, die in der Größenordnung zwischen 150 µm und 240 µm liegt. Die angegebenen Maße sind als nicht beschränkend anzusehen, es können durchaus auch größere Spalthöhen entsprechend der Auslegung der Bestromung des Stellelementes bzw. der Geometrie des Ankerteiles realisiert werden. Die zweite Spalthöhe, die in der Größenordnung zwischen 150 µm und 240 µm liegt, erlaubt die Variation des Verhältnisses der Strömungsquerschnitte von A_Rezi/ A_Ringspalt in einem Bereich von 8 bis 20. Dadurch lassen sich unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten einstellen, analog wie oben bereits für die erste Spalthöhe von 30 µm bis 140 µm dargelegt.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, mündet der Ringspalt, der zwischen der Außenseite des Ankerteiles und einer dieser zuweisenden Seite der Anschlaghülse gebildet wird, in eine zentrale Öffnung bzw. einen zentralen Strömungskanal der Strahlpumpe in dem koaxial zur Symmetrieachse derselben das erste gasförmige Medium, insbesondere H₂-Rezirkualt vom Brennstoffstapel gefördert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe, wird an der Mündung des Ringspaltes in die zentrale Öffnung bzw. den zentralen Strömungskanal der Strahlpumpe zwischen dem Ankerteil und der stationär in der Strahlpumpe vorgesehenen Anschlaghülse ein Sitz gebildet. Dieser kann je nach Axialverschiebung des Ankerteiles bei entsprechender Bestromung des als Magnetspule ausgebildeten Stellelementes geschlossen oder geöffnet werden, wodurch sich abweichend vom Öffnungsgrad des Sitzes die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten gasförmigen Mediums einstellt, mit welcher dieses in den zentralen Strömungskanal bzw. die zentrale Öffnung einschießt, in der das erste gasförmige Medium, insbesondere H₂-Rezirkulat gefördert wird.
Die Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe liegt insbesondere in Brennstoffzellensystemen, in denen durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe die Strömungsgeschwindigkeit eines zu fördernden ersten gasförmigen Mediums bedarfsgerecht und unter Minimierung des Bauraumes der Strahlpumpe zu realisieren ist.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe besteht die Möglichkeit, die Effizienz derselben, insbesondere im Teillastbetrieb, zu steigern. Aufgrund der axialen Bewegbarkeit des Ankerteiles erfolgt eine aktive Verstellung des Ringspaltes, wodurch unterschiedliche Spalthöhen entsprechend der Bestromung des insbesondere als Magnetspule ausgebildeten Stellelementes erfolgen können, so dass sich unterschiedliche Einschießgeschwindigkeiten des zweiten gasförmigen Mediums in das zu fördernde erste gasförmige Medium einstellen lassen. Dabei kann in vorteilhafter Weise die Baugröße der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe beibehalten werden, eine Vergrößerung dieses Bauelementes kann bei Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung vermieden werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe erlaubt überdies eine Verhinderung der Strömungsablösung und eine dadurch verbesserte Strömungsführung. Dies ist im Wesentlichen dem Umstand geschuldet, dass sich der Ringspalt im Zulauf, d.h. im Strömungspfad des zur Förderung des ersten gasförmigen Mediums eingesetzten zweiten gasförmigen Mediums befindet. Bei diesem handelt es sich insbesondere um H₂.
Im unbestromten Zustand des in vorteilhafter Weise als Magnetspule ausgebildeten Stellelementes ist durch eine Vorspannungsbeaufschlagung des beweglich angeordneten Ankerteiles, dessen Anstellung gegen die stationär in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe angeordnete Anschlaghülse sichergestellt. Ist das Ankerteil mit mindestens einer Öffnung versehen, die im Strömungspfad des zur Förderung des ersten gasförmigen Mediums ausgenutzten zweiten gasförmigen Mediums vorgesehen ist, kann stets eine definierte Mindestströmungsgeschwindigkeit an der Mündungsstelle des Ringspaltes in die zentrale Öffnung bzw. den zentralen Strömungskanal der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe sichergestellt werden. So ist auch bei Ausfall der Bestromung der Magnetspule sichergestellt, dass stets eine Mindestströmung an Rezirkulat durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe sichergestellt werden kann. Durch die Mindestströmung an Rezirkulat, abhängig von der Dimensionierung entsprechend der Öffnung- bzw. Öffnungsabschnitte am Ankerteil, kann eine kontinuierliche Förderung einer Mindestmenge von Rezirkulat beispielsweise aus einem Brennstoffstapel sichergestellt werden.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 1 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe, mit einem Ankerteil mit mindestens einer Öffnung,
2 eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe, mit einem Ankerteil ohne Öffnung und
3 die Detaildarstellung eines Sitzes zwischen Ankerteil und Anschlaghülse als Detail der Darstellung gemäß 2.

Ausführungsvarianten
Vorausschickend sei bemerkt, dass die in den 1 und 2 im Längsschnitt dargestellten, erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpen 10, symmetrisch zu einer durch Bezugszeichen 34 identifizierten Symmetrieachse ausgeführt sind. Aus Gründen der Vereinfachung ist lediglich eine Hälfte des Längsschnittes durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe 10 dargestellt.
1 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe, deren Ankerteil mit mindestens einer Öffnung versehen ist.
Wie der Schnittdarstellung gemäß 1 entnommen werden kann, umfasst eine Strahlpumpe 10, insbesondere für den Einsatz an Brennstoffzellensystemen ein Gehäuse 11, innerhalb dessen ein Ankerteil 12 in axiale Richtung beweglich aufgenommen ist. Das Ankerteil 12 wird durch eine schematisch dargestellt Feder 14 gegen einen Absatz, der in einer Anschlaghülse 60 ausgeführt ist, angestellt. Die Feder 14 stützt sich ihrerseits an einer Einpressscheibe 16 ab. Über die Position der Einpressscheibe 16, die im Ausführungsbeispiel gemäß 1 in ein erstes Edelstahlhülsenteil 20 eingepresst ist, kann die das Ankerteil 12 beaufschlagenden Vorspannkraft eingestellt werden. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass ein Magnetkern 18 von einem ersten Edelstahlhülsenteil 20 sowie einem mit diesem stoffschlüssig verbundenen zweiten Edelstahlhülsenteil 22 umschlossen ist. Die Edelstahlhülsenteile 20 und 22 sind durch Dichtringe 24 gegen einen Strömungspfad 27 eines ersten gasförmigen Mediums 26 abgedichtet. Bei dem ersten gasförmigen Medium 26 handelt es sich insbesondere um eine H₂-Zuströmung.
Das erste gasförmige Medium 26 strömt entlang eines Strömungspfades 27 einem Ringspalt 28 zu. Wie 1 zu entnehmen ist, wird der Ringspalt 28 durch die Außenfläche des Ankerteiles 12 einerseits und andererseits durch die dieser zuweisende Seite der Anschlaghülse 60 begrenzt. Der Ringspalt 28 gemäß der Darstellung in 1 mündet in eine zentrale Öffnung oder einen zentralen Strömungskanal 30 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe 10. Die zentrale Öffnung 30 bzw. der zentrale Strömungskanal 30 durch den ein zweites gasförmiges Medium, insbesondere Rezirkulat aus einem Brennstoffzellenstapel strömt, verläuft konzentrisch zur Symmetrieachse 34 durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Strahlpumpe 10.
In der Ausführungsvariante gemäß 1 umfasst das Ankerteil 12 einer Stirnseite 54 des Magnetkerns 18 gegenüberliegend, eine erste Öffnung 50 und eine zweite Öffnung 52.
Wie der Darstellung gemäß 1 zu entnehmen ist, sind innerhalb des Ringspaltes 28 bei der in 1 dargestellten Position des Ankerteiles 12 im Ringspalt 28 eine erste Ringspalthöhe 36 und eine zweite Spalthöhe 38 eingezeichnet. Die erste Spalthöhe 36 liegt in der Größenordnung zwischen 30 µm bis 140 µm, während die zweite Spalthöhe 38 im Bereich zwischen 150 µm bis 240 µm liegt. Der Darstellung gemäß 1 ist darüber hinaus entnehmbar, dass an der Außenseite des Ankerteiles 12, d.h. an der der zentralen Öffnung 30 und dem Ringspalt 28 zuweisenden Seite, ein Absatz 40 ausgebildet ist. Der in 1 dargestellte Absatz 40 kann fertigungstechnisch besonders einfach an dem Ankerteil 12 als Durchmesservergrößerung ausgeführt werden.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass sich im Magnetkern 18 ein als in vorteilhafter Weise als Magnetspule 46 ausgebildetes elektrisch betätigbares Stellelement befindet, welches durch schematisch dargestellte Anschlussleitungen 48 kontaktiert ist.
In 1 ist das Ankerteil 12 aufgrund der durch die Feder 14 erzeugten Vorspannkraft an einen in der Anschlaghülse 60 ausgebildeten Absatz angestellt. Die die Vorspannkraft erzeugende Feder 14 stützt sich an der Einpressscheibe 16 ab, der in das erste Edelstahlhülsenteil 20 eingepresst ist. Demzufolge strömt das zweite gasförmige Medium 32 entsprechend des Strömungspfades 27 durch die erste Öffnung 50 auf der Innenseite des Ankerteiles 12 entlang der Stirnseite 54 des Magnetkernes 18 der zweiten Öffnung 52 zu. Über die zweite Öffnung 52 strömt das zweite gasförmige Medium 32 in den Ringspalt 28 ein und verlässt diesen durch die an der Mündung des Ringspaltes 28 in die zentrale Öffnung 30 bzw. den zentralen Strömungskanal 30 mündenden Öffnung an der eine erste Spalthöhe 36 in der Größenordnung zwischen 30 µm bis 140 µm, je nach Auslegung, vorliegt. Das mit hoher Strömungsgeschwindigkeit an dieser Mündungsstelle des Ringspaltes 28 austretende zweite gasförmige Medium 32 reißt das erste gasförmige Medium 26, welches parallel zur Symmetrieachse 34 strömt, aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit mit, so dass dieses entsprechend eben jener Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise als H₂-Rezirkulat aus einem Brennstoffstapel gefördert wird.
Bei Bestromung des insbesondere als Magnetspule ausgebildeten Stellelementes 46 über die Anschlussleitung 48 wird das Ankerteil 12 durch die Magnetspule 46 wirkend über die Stirnseite 54 angezogen. Dadurch verschiebt sich das Ankerteil 12 parallel zur Symmetrieachse 34 entgegen der Wirkung der Vorspannkraft der Feder 14 in Richtung auf die Einpressscheibe 16. Dadurch wird nicht nur die Anlage des Ankerteiles 12 am Absatz der Anschlaghülse 60 aufgehoben, sondern aufgrund des Absatzes 40 an der dem Ringspalt 28 zuweisenden Seite des Ankerteiles 12 erfolgt auch eine Vergrößerung der ersten Spalthöhe 36 auf eine zweite Spalthöhe 38. Die zweite Spalthöhe 38 liegt in der Größenordnung zwischen 150 µm bis 240 µm. Sie kann je nach Auslegung des Absatzes 40 auch darüber liegen. Bei entsprechend bestromtem Stellelement 46 in Form einer Magnetspule, liegt nun eine aufgrund der größeren Mündung des Ringspaltes 28 in die zentrale Öffnung 30 bzw. den zentralen Strömungskanal 30 eine variierende Strömungsgeschwindigkeit vor, die geringer ist, als die erste Strömungsgeschwindigkeit, so dass entsprechend der Bestromung des als Magnetspule ausgebildeten Stellelementes 46 eine entsprechend eines aktuellen Bedarfes eine Förderung des ersten gasförmigen Mediums 26 durch die zentrale Öffnung 30 bzw. den zentralen Strömungskanal 30 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe 10 erfolgt. Entsprechend der Auslegung der Geometrie in Bezug auf den Absatz 40 des Ankerteiles 12 bzw. entsprechend der Bestromung der Magnetspule 46, kann auch die Menge des ersten gasförmigen Mediums 26, d.h. der H₂-Zuströmung ausgelegt sein, welche - entsprechende Bestromung der Magnetspule 46 vorausgesetzt - an der Mündungsstelle des Ringspaltes 28 mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit in den zentralen Strömungskanal 30 einschießt und das zweite gasförmige Medium, insbesondere H₂-Rezirkulat aus einem Brennstoffstapel, entsprechend der Funktion der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe 10 fördert.
In der Ausführungsvariante gemäß 1 kann der Ringspalt 28 durch entsprechende Anpassung des Durchmessers für den Absatz 40 zur Förderung des ersten gasförmigen Mediums 26 leicht angepasst werden, um einen größeren Spielraum für den Toleranzausgleich zu erhalten.
2 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe mit einem öffnungsfrei ausgeführten Ankerteil zu entnehmen.
In der zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe 10 ist das Ankerteil 12 ebenfalls über die Feder 14 beaufschlagt und an die im Gehäuse 11 aufgenommene Anschlaghülse 60 angestellt. Die Feder 14 stützt sich am Einpressscheibe 16 ab, der wiederum in das erste Edelstahlhülsenteil 20 eingepresst ist. In der in 2 dargestellten Position des Ankerteiles 12 verläuft der Strömungspfad 27 im Vergleich zur Ausführungsvariante der Strahlpumpe 10 gemäß 1 etwas anders. Im in 2 dargestellten, an die Anschlaghülse 60 angestellten Ankerteil 12, strömt das zweite gasförmige Medium 32 dem Ringspalt 28 über einen an der Stirnseite des Ankerteiles 12 vorgesehenen vertikalen Absatzabschnitt 66 zu. Dies bedeutet, dass der Ringspalt 28 entsprechend der Auslegung des vertikalen Absatzabschnittes 66 an der Stirnseite der Ankerteiles 12 geöffnet bleibt und ein Gasstrom des zweiten gasförmigen Mediums 32 entlang des vertikalen Absatzabschnittes 66 einen horizontalen Absatzabschnitt 64 an der Mantelfläche des Ankerteiles 12 passierend, durch den Ringspalt 28 entsprechend des Strömungspfades 27 an der Mündungsstelle des Ringspaltes 28 in den zentralen Strömungskanal 30 mündet. Aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit des zweiten gasförmigen Mediums 32, wird das die zentrale Öffnung 30 bzw. den zentralen Strömungskanal 30 passierende erste gasförmige Medium 26, bei dem es sich um H₂-Rezirkulat eines Brennstoffzellenstapels handelt, mitgerissen, und demzufolge gefördert.
Entsprechend der Bestromung des bevorzugt als Magnetspule 46 ausgebildeten Stellelementes wird das Ankerteil 12 entgegen der Vorspannkraft der Feder 14 von der Stirnseite 54 eines Magnetkreises 70 angezogen, so dass entsprechend der Bestromung der Magnetspule 46 das Ankerteil 12 angezogen wird und eine größere Ringspalthöhe eingestellt wird, über welche das zweite gasförmige Medium 32 an der Mündungsstelle des Ringspaltes 28 in die zentrale Öffnung 30 bzw. den zentralen Strömungskanal 30 einströmen kann und das erste gasförmige Medium 26, bei dem es sich insbesondere um H2-Rezirkuat handelt, mitreißt.
Der Magnetkreis 70 ist über das erste Edelstahlhülsenteil 20 und das zweite Edelstahlhülsenteil 22 sowie zwei diesem zugeordnete Dichtringe 24 gegen das zweite gasförmige Medium 32, bei dem es sich insbesondere um H₂ handelt, abgedichtet und gekapselt. Das bevorzugt als Magnetspule 46 ausgebildete Stellelement ist vom Magnetkern 18 umschlossen.
In Abwandlung zur in 1 dargestellten ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe 10, ist in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante der Strahlpumpe 10 das Ankerteil 12 mit einer Membran 68 versehen. Durch das Vorsehen der Membran 68, welche mit dem Außenumfang des Ankerteiles 12 verbunden ist, lässt sich eine Zuströmung des zweiten gasförmigen Mediums 32 gezielt auf den Ringspalt 28 zu, realisieren. Ein Vergleich mit 1 zeigt, dass sich in dieser Ausführungsvariante der Zustrom des zweiten gasförmigen Mediums 32 auf die Vorderseite und die Rückseite des Ankerteiles 12 verteilt. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante hingegen kann durch den Strömungspfad aufgrund des Vorsehens der ringförmigen Membran 68 am Ankerteil 12 eine gezielte Grundversorgung durch die H₂-Zuströmung erreicht werden, da auch im angestellten Zustand des Ankerteiles 12 an eine Stufe der Anschlaghülse 60 aufgrund des Vorhandenseins des vertikalen Absatzabschnittes 66 im Ankerteil 12 stets eine Mindestmenge von H₂ über dem Ringspalt 28 in den zentralen Strömungskanal 30 eintritt und somit stets eine Mindestförderung von erstem gasförmigen Medium 26 im zentralen Strömungskanal 30 gewährleistet ist. Die Anschlaghülse 60, die stationär im Gehäuse 11 der Strahlpumpe 10 gemäß der Darstellung in 2 aufgenommen ist, kann gestuft ausgeführt sein. Eine der gestuften Absätze der Anschlaghülse 60, genauer gesagt eine Stirnseite einer Durchmesserstufe der Anschlaghülse 60 dient als Anschlag für das Ankerteil 12 im unbestromten Zustand des bevorzugt als Magnetspule 46 ausgebildeten Stellelementes.
Der Darstellung gemäß 3 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Ringspaltes zu entnehmen, der an der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Strahlpumpe 10 ausgeführt werden kann.
Aus der Detaildarstellung gemäß 3 geht hervor, dass der Ringspalt 28 von dem im Ankerteil 12 vorgesehenen Absatz 40 - gefertigt insbesondere durch eine Durchmesservergrößerung des Ankerteiles 12 - und der Innenseite der Anschlaghülse 60 begrenzt ist. Aus der Darstellung gemäß 3 lässt sich entnehmen, dass eine Begrenzungsfläche des Absatzes 40 mit der Spitze der Anschlaghülse 60 einen Sitz 62 bildet. Der Ringspalt 28 hat in der Darstellung gemäß 3 eine erste Spalthöhe 36, die zwischen 40 µm und 200 µm - auslegungsabhängig - liegen kann. In dem Falle, dass die Spitze der Anschlaghülse 60 die geneigte Fläche der Begrenzungsfläche des Absatzes 40 berührt, ist der Sitz 62 geschlossen. Entsprechend der Bestromung des in den 2 und 3 dargestellten, bevorzugt als Magnetspule 46 ausgebildeten Stellelementes, kann der Sitz 62 geöffnet werden, so dass das zweite gasförmige Medium 32 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die zentrale Öffnung 30 bzw. den zentralen Strömungskanal 30, der bzw. die sich koaxial zur Symmetrieachse 34 erstrecken, einströmt und das erste gasförmige Medium 26, bei dem es sich insbesondere um H₂-Rezirkulat eines Brennstoffzellenstapels handelt, in die eingezeichnete Strömungsrichtung mitreißt und demzufolge transportiert.
Während in der Darstellung gemäß 3 ein metallischer Sitz 62 ausgebildet ist, d.h. die aus metallischem Werkstoff gefertigte Anschlaghülse 60 mit dem ebenfalls aus metallischem Material gefertigten Ankerteil 12 den Sitz 62 bildet, kann am Ankerteil 12 und/oder auch auf der diesem zuweisenden Seiten der mit mehreren Absätzen ausgebildeten Anschlaghülse 60 ein Elastomermaterial vorgesehen sein, welches in diesem Falle einen Elastomersitz bilden würde. Eine Abdichtfunktion könnte für diesen Fall auch durch Vertiefungen im Ankerteil 12, mehreren Aussparungen am Ankerteil 12 bzw. in den Absätzen der Anschlaghülse 60 und/oder auch dort vorgesehene Elastomerabdichtungen dargestellt werden.
Die bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Ringspalt 28, in dem das zweite gasförmige Medium 32 in den zentralen Strömungskanal 30 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit einschießt, ist durch die Strömungsquerschnitte bzw. die Strömungsverhältnisse im Ringspalt 28 definiert. Herrscht an der Mündungsstelle des Ringspaltes 28 eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit, tritt die H₂-Zuströmung als erstes gasförmiges Medium 26 mit hoher Geschwindigkeit am Ende des Strömungspfades 27 in den zentralen Strömungskanal ein und reißt aufgrund des Strahlpumpeneffektes das erste gasförmige Medium 26, bei dem es sich um Rezirkulat handelt, mit. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit im Ringspalt 28 ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit der als gasförmiges Treibmedium wirkenden H₂-Zuströmung des zweiten gasförmigen Mediums. Wird die Strömungsführung am Ankerteil 12 bzw. der Anschlaghülse 60 optimiert, so zum Beispiel durch Verrundungen von dem Strömungspfad 27 begrenzenden Kanten, bzw. durch eine Anpassung der Winkel, kann eine Strömungsablösung und damit ein Verlust an Strömungsgeschwindigkeit vermieden werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7687171 B2 [0002]
US 8999593 B2 [0003]

Claims

Strahlpumpe (10) zur Förderung eines ersten gasförmigen Mediums (26) eines Brennstoffzellensystems, mit einem Gehäuse (11) und einem relativ zu diesem bewegbaren Ankerteil (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerteil (12) im Strömungspfad (27) eines zweiten gasförmigen Mediums (32) mit einer Anschlaghülse (60) einen Ringspalt (28) bildet, dessen Spalthöhe (36, 38) variierbar ist.
Strahlpumpe (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerteil (12) durch ein in einen Magnetkern (18) aufgenommenes Stellelement in axiale Richtung betätigbar ist.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (46) eine Magnetspule ist.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetkreis (70), gebildet aus dem Gehäuse (11), dem Magnetkern (18) und der Magnetspule (46) durch mindestens ein Edelstahlhülsenteil (20, 22) und mindestens einen Dichtring (24) vom Strömungspfad (27) des ersten gasförmigen Mediums (26) getrennt ist.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerteil (12), das den Ringspalt (28) begrenzt, mindestens eine Öffnung (50, 52) aufweist, die vom ersten gasförmigen Medium (26) passiert wird.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im unbestromten Zustand der Magnetspule (46) das Ankerteil (12) durch eine Feder (14) an die Anschlaghülse (60) angestellt ist.
Strahlpumpe (10) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste gasförmige Medium (26) bei unbestromter Magnetspule (46) über eine zweite Öffnung (52) in den Ringspalt (28) einströmt, der im unbestromten Zustand der Magnetspule eine erste Spalthöhe (36) einnimmt.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spalthöhe (36) zwischen 30 µm und 140 µm liegt.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerteil (12) an seiner dem Strömungspfad (27) des ersten gasförmigen Mediums (26) zuweisenden Seite mindestens einen Absatz (40) parallel zur Symmetrieachse (34) aufweist, oder einen sich parallel zur Symmetrieachse (34) erstreckenden horizontalen Absatzabschnitt (64) und einen sich senkrecht zur Symmetrieachse (34) erstreckenden vertikalen Absatzabschnitt (66) umfasst.
Strahlpumpe (10) gemäß der einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der Bestromung der Magnetspule (46) das Ankerteil (12) mit der Anschlaghülse (60) eine zweite Spalthöhe (38) definiert, die zwischen 150 µm und 240 µm liegt.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (28) in eine zentrale Öffnung (30), oder einen zentralen Strömungskanal (30) der Strahlpumpe (10) mündet, in der das zweite gasförmige Medium (32), insbesondere H₂-Rezirkulat aus einem Brennstoffzellenstapel, strömt.
Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mündung des Ringspaltes (28) in die zentrale Öffnung (30) oder den zentralen Strömungskanal (30) zwischen dem Ankerteil (12) und der Anschlaghülse (60) ein Sitz (62) gebildet ist.
Verwendung der Strahlpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Regelung der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen Mediums (26), insbesondere H₂ in einem Brennstoffzellensystem.