DE102017211960A1

DE102017211960A1 - Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017211960A1
Application number: DE102017211960.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Bauer; Fabian Brandl; Simon Grilc
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Strömungsmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die Strömungsmaschine umfasst: i) mindestens ein Luftlager zur Lagerung einer Welle; ii) mindestens einen Kühlflüssigkeitskanal zur Kühlung der Strömungsmaschine; und iii) mindestens einen Lagerluftkühlkanal. Durch den Lagerluftkühlkanal ist Luft zur Kühlung des mindestens einen Luftlagers geführt. Der Lagerluftkühlkanal ist zumindest bereichsweise unmittelbar benachbart zum Kühlflüssigkeitskanal angeordnet.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere einen Turbolader. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Strömungsmaschine.
Turbolader als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ebenfalls ist bekannt, solche Turbolader in Brennstoffzellensystemen einzusetzen. Ferner ist bekannt, in einem solchen Brennstoffzellensystem Luftlager einzusetzen.
Die Turbolader können Axial-Luftlager mit in radialer Richtung abstehenden Scheiben umfassen. Diese mit der Welle rotierenden Scheiben werden beiderseits von Luft umströmt. Nachteilig an einer solchen Ausgestaltung ist, dass die Gesamtlänge der Welle sich vergrößert. Eine große Gesamtlänge der Welle ist jedoch nachteilig für die Eigenfrequenzen der Welle. Gerade bei Hochdrehzahlanwendungen (>100.000 U/Min) hat dies signifikanten Einfluss auf die Wellendynamik. Durch die Scheibe vergrößert sich das Massenträgheitsmoment der rotierenden Bauteile, was sich negativ auf das Ansprechverhalten des Verdichters auswirkt. Die Scheibe ist zudem ein zusätzliches Bauteil, das zusätzlich Kosten und Fertigungsaufwand mit sich bringt (z.B. Wuchten). Ferner werden die Wellen der Turbolader mit Radialdichtungen abgedichtet, die die Wellenlänge ebenfalls negativ beeinflussen können. Ferner besteht ein Bedürfnis, die Lager auch zur Kühlung mit ausreichend Luft zu versorgen.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Strömungsmaschine beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches bevorzugt hinsichtlich der Anfälligkeit gegen Vibrationen, Lagerkühlung, Bauraumbedarf, Gewicht und/oder Herstellkosten verbessert ist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Turbolader bzw. Turboverdichter für ein Kraftfahrzeug. Die Strömungsmaschine umfasst: i) mindestens ein Laufrad; ii) mindestens eine Welle; und iii) bevorzugt mindestens einen elektrischen Antrieb. Das Laufrad und der elektrische Antrieb sind über die Welle drehfest aneinander gekoppelt bzw. miteinander verbunden. Der elektrische Antrieb ist eingerichtet, das mindestens eine Laufrad der Verdichtereinheit anzutreiben.
Die Strömungsmaschine ist insbesondere eingerichtet, Luft zu einem Energiewandler zu fördern, insbesondere zu mindestens einer Brennstoffzelle. Die Strömungsmaschine kann insbesondere ein luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter bzw. Kreiselverdichter sein. Bevorzugt weist der Verdichter einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 20.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Die Strömungsmaschine ist insbesondere eingerichtet, über einen Energiewandler-Zuströmungspfad Luft mindestens einem Energiewandler eines Kraftfahrzeugs zuzuführen. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine eine Verdichtereinheit mit mindestens einem Verdichterrad und/oder eine Turbineneinheit mit mindestens einem Turbinenrad.
Der Energiewandler-Zuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der Strömungsmaschine und dem Energiewandler her. Der Energiewandler-Zuströmungspfad kann durch mehrere Zuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Energiewandler-Zuströmungspfad miteinander verbinden.
Der mindestens eine Energiewandler ist eingerichtet, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, beispielsweise in elektrische Energie und/oder in Bewegungsenergie. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellensystem mit mindestens eine Brennstoffzelle sein.
Das mindestens eine Laufrad kann ein Verdichterrad oder ein Turbinenrad sein. Das Verdichterrad ist eingerichtet, die zu verdichtende Luft zu fördern. Das Turbinenrad ist eingerichtet, das Abfallen der innere Energie vom einströmenden Gas in mechanische Leistung (hier Drehmoment mal Drehzahl) umzuwandeln, die es an die Welle abgibt. Bevorzugt ist das Turbinenrad als Abgasturbinenrad ausgebildet. Das Turbinenrad ist insbesondere eingerichtet, einströmendes Gas zu expandieren. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine ein Verdichterrad und ein Turbinenrad.
Das mindestens eine Laufrad ist mit der Welle der Strömungsmaschine gekoppelt, beispielsweise über eine Welle-Nabe Verbindung, Klebung oder jede andere geeignete Verbindung. Das mindestens eine Laufrad ist i.d.R. kreisrund und konzentrisch zur Mittelachse der Welle angeordnet.
Das Laufrad kann an seiner Laufradvorderseite bzw. Laufradaußenseite bzw. Vorderseite des Laufrads (nachstehend für alle Begriffe stellvertretend wird vereinfachend benutzt: „Vorderseite des Laufrads“ oder allgemein „Vorderseite“) Luftleitelemente aufweisen, insbesondere rotierende Leitschaufeln, die nachstehend auch als Laufschaufeln bezeichnet werden. Die Laufradrückseite bzw. Laufradinnenseite bzw. Rückseite (nachstehend für alle Begriffe stellvertretend wird vereinfachend benutzt: „Rückseite des Laufrads“ oder allgemein „Rückseite“) ist die Rückseite des Laufrads.
Die Vorderseite kann eingerichtet sein, axial Luft anzusaugen und in das Verdichtergehäuse zu fördern, wobei dabei die angesaugte Luft verdichtet wird. Die Vorderseite kann eingerichtet sein, in das Turbinengehäuse insbesondere radial einströmendes Gas axial ausströmen zu lassen, wobei in der Turbineneinheit das Gas expandiert und die Welle angetrieben wird.
Das Antriebsgehäuse, das Verdichtergehäuse bzw. verdichterseitige Laufradgehäuse und/oder das Turbinengehäuse bzw. verdichterseitige Laufradgehäuse bilden i.d.R. das Gehäuse der Strömungsmaschine aus. Das Antriebsgehäuse der Strömungsmaschine umschließt zumindest den elektrischen Antrieb. An einem Ende des Antriebsgehäuses ist zweckmäßig ein Verdichtergehäuse einer Verdichtereinheit vorgesehen, in der das Verdichterrad aufgenommen ist. An dem anderen Ende des Antriebsgehäuses kann ein Turbinengehäuse vorgesehen sein. Das Verdichtergehäuse und/oder das Turbinengehäuse können als Spiralgehäuse ausgebildet sein, die die Voluten vom Verdichter bzw. von der Turbine ausbilden. In dem Gehäuse, insbesondere im Antriebsgehäuse, ist die mindestens eine Welle gelagert.
Am mindestens einen Laufrad kann mindestens ein Druckteiler vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann das mindestens eine Laufrad den mindestens einen Druckteiler mit ausbilden. Der Druckteiler ist dabei eine Einrichtung, die einen Strömungspfad in zwei benachbarte Teilbereiche aufteilt; wobei es zwischen diesen Teilbereichen einen Druckunterschied gibt. Vorteilhaft beträgt der Druckunterschied zwischen den benachbarten Teilbereichen mindestens 20% oder mindestens 50% oder mindestens 75% vom Ausgangsdruck, wobei der Ausgangsdruck der Druck in dem Teilbereich ist, der von den beiden Teilbereichen den höheren Druck aufweist. Bevorzugt ist der Druckteiler eine Drossel. Besonders vorteilhaft ist der Druckteiler als Radialdichtung ausgebildet. Der Druckteiler kann fluidverbunden sein mit dem hier offenbarten mindestens einen Luftlager und mit dem hier offenbarten Laufrad, so dass Luft zum Kühlen des Luftlagers über den Druckteiler zuführbar bzw. abführbar ist.
Der Druckteiler kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sich auf die Welle einwirkende Kräfte in axialer Richtung zumindest zu 80% oder im Wesentlichen ganz aufheben. Hierzu kann

i) der radiale Abstand zwischen der Oberfläche der Welle und dem Druckteiler; und/oder
ii) der durch den Druckteiler verursachte Druckunterschied zwischen den Teilbereichen unmittelbar benachbart zum Druckteiler

Insbesondere können sich die auf die Welle einwirkenden Kräfte in axialer Richtung zumindest zu 80% oder im Wesentlichen ganz aufheben bei

a) einer Drehzahl vom Laufrad, die ca. 80% bis 100% der Maximaldrehzahl des Laufrads beträgt; und/oder
b) bei einem Druck am (radialen) Laufradausgang, der ca. 80% bis 100% vom maximalen (Förder)Druck der Strömungsmaschine beträgt.

Der Druckteiler ist zweckmäßig beabstandet zur Welle angeordnet. Der radiale Abstand beträgt bevorzugt

- ca. 20% bis 100% oder
- ca. 50% bis 100% oder
- ca. 75% bis 100%

Der Druckteiler kann an der Rückseite und/oder am Umfangsrand, insbesondere dessen Außenumfangsfläche, des Laufrads vorgesehen sein. Der Druckteiler kann alternativ oder zusätzlich durch die Rückseite und/oder durch den Umfangsrand, insbesondere dessen Außenumfangsfläche, mit ausgebildet werden.
Zumindest ein Teil vom Druckteiler kann auf einem axialen Vorsprung der Rückseite angeordnet sein und/oder der axiale Vorsprung kann den Druckteiler mit ausbilden. Der Vorsprung kann beispielsweise von der Rückseitenoberfläche abstehen. Vorteilhaft kann der Vorsprung ausgebildet werden durch eine Ausnehmung, die am radialen Außenumfang vom Laufrad beginnt und sich zur Längsachse des Laufrads bzw. der Welle hin erstreckt. Eine Wand dieser Ausnehmung kann eine Umfangswand sein, die einen geringeren Durchmesser aufweist als der Außenumfang vom Laufrad. Auf dieser Umfangswand kann der Druckteiler in Form einer Radialdichtung angebracht sein. Neben der axialen Anordnung mit kann die Ausführung auch radial erfolgen in dem Laufradrückseite und eine Axialdichtung den Druckteiler darstellen.
Prinzipiell kann auch ein separat zum Laufrad ausgebildeter Druckteiler vorgesehen sein. Dadurch würde sich jedoch die Länge der Achse erhöhen.
Die Strömungsmaschine kann mindestens ein Luftlager zur Lagerung der mindestens einen Welle umfassen. Luftlager sind Lager, bei denen die beiden zueinander bewegten Lagerungspartner durch einen dünnen Luftfilm getrennt sind. Bevorzugt ist das mindestens eine Luftlager ein aerodynamisches Lager, das das Luftpolster durch die Bewegung selbst aufbaut. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine mindestens ein Axial-Luftlager und mindestens ein Radial-Luftlager. Axial-Luftlager bzw. Längslager sind ausgebildet, Bewegungen der Welle in axialer Richtung zu behindern. Radial-Luftlager behindern indes die Bewegung der Welle in radialer Richtung. Ebenfalls ist vorstellbar, dass ein kombiniertes Lager ein Axial-Lager und ein Radial-Lager umfasst. In einer Ausgestaltung kann der Luftspalt mit einer Volute des Verdichters fluidverbunden sein. Vorteilhaft wird die Volute durch das Verdichtergehäuse ausgebildet. Somit kann die Luft aus der Verdichtereinheit direkt in das Luftlager strömen, insbesondere um die Wärme weg zu transportieren.
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann die Rückseite eines Laufrads eine luftumströmte Fläche des Axial-Luftlagers ausbilden. Die luftumströmte Fläche ist insbesondere eine der beiden luftumströmten Flächen, die das Luftpolster des Axial-Luftlagers ausbilden. Bevorzugt bilden zwei Laufräder (Verdichterrad und Turbinenrad) das Luftpolster des Axial-Luftlagers aus. Die Rückseiten der Laufräder, insbesondere deren erste luftumströmte Fläche und zweite luftumströmte Fläche, können einander gegenüberliegend angeordnet sein. Die Rückseiten, insbesondere deren erste luftumströmte Fläche und zweite luftumströmte Fläche, können im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet sein. Der Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Rückseiten/Flächen kreisringförmig sind oder nur im für die Funktion unerheblichen Maße von der Kreisringform abweichen, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen.
Die Rückseite vom Laufrad, insbesondere dessen luftumströmte Fläche, kann jeweils mit einem nach außen weisenden Gehäuseabschnitt des Gehäuses einen Luftspalt ausbilden. Bevorzugt kann der Gehäuseabschnitt ein Abschnitt vom Antriebsgehäuse sein. Die Rückseiten vom Verdichterrad und vom Turbinenrad, insbesondere deren erste luftumströmte Fläche und zweite luftumströmte Fläche, können im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse A-A der Welle verlaufen. Zweckmäßig verläuft der Gehäuseabschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Welle. Der Begriff „im Wesentlichen senkrecht“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Flächen und Abschnitte senkrecht verlaufen oder nur im für die Funktion unerheblichen Maße davon abweichen, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen. Der Luftspalt bildet das Luftpolster des Luftlagers aus. Bevorzugt weist im Betrieb der Luftspalt eine Spaltbreite auf von maximal 1 mm oder maximal 2 mm oder maximal 5 mm.
Das hier offenbarte Kraftfahrzeug kann ferner mindestens einen Ladeluftkühler umfassen, der eingerichtet ist, die verdichtete Luft zu kühlen. Der Ladeluftkühler ist stromauf vom mindestens einen Energiewandler angeordnet. Prinzipiell können unterschiedlichste Geometrien (Plattenwärmetauscher, Rohrwärmetauscher, etc.) und Strömungsvarianten (Gegenstrom, Gleichstrom, Kreuzstrom, etc.) im Wärmeübertrager umgesetzt sein. Bevorzugt weist der Ladeluftkühler mindestens zwei Strömungspfade auf: einen ersten Strömungspfad für den Brennstoff bzw. das Kühlmittel und einen zweiten Strömungspfad für die verdichtete Luft.
Das Kraftfahrzeug, insbesondere das hier offenbarte Brennstoffzellensystem, kann mindestens einen Strömungsmaschinen-Strömungspfad umfassen, der in einer Ausgestaltung stromab vom Ladeluftkühler vom Energiewandler-Zuströmungspfad abzweigt und in die Strömungsmaschine ohne Beimischung von Abgas aus dem Energiewandler mündet, so dass verdichtete und anschließend gekühlte Luft stromauf vom Energiewandler abgezweigt und direkt der Strömungsmaschine, insbesondere dem mindestens einem Luftlager zuführbar ist. Ohne Beimischung von Abgas aus dem Energiewandler bedeutet in diesem Zusammenhang, dass abgasfreie (Frisch)Luft der Strömungsmaschine, insbesondere dem Antriebsgehäuse, zugeführt wird. Vorteilhaft wird durch diesen Strömungspfad verdichtete und gekühlte Frischluft der Strömungsmaschine insbesondere zur Kühlung vom elektrischen Antrieb und/oder vom Luftlager zugeführt. Die Frischluft ist vergleichsweise trocken und frei von Brennstoffrückständen (z.B. frei von Wasserstoff), so dass der elektrische Antrieb und/oder die Luftlager geschont werden. Im Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, z.B. ein Gas-Flüssig-Wärmetauscher bzw. Flüssig-Gas-Wärmetauscher.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Einrichtung zur Befeuchtung der Luft. Beispielsweise kann hierzu Wasser in den Energiewandler-Zuströmungspfad eingespritzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann jede Art von Befeuchter mit Feuchtigkeitsaustauschflächen vorgesehen sein, z.B. Membranbefeuchter mit Flachmembranen und/oder Hohlfasern. Bevorzugt kann der Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad stromauf von der Einrichtung zur Befeuchtung der Luft vorgesehen sein.
Die hier offenbarte Strömungsmaschine kann ferner mindestens einen Innenbereich umfassen, der in einem vom Turbinengehäuse abgetrennten Gehäusebereich vorgesehen sein kann. Bevorzugt ist der Innenbereich im Antriebsgehäuse vorgesehen. Der Innenbereich ist fluidverbunden bzw. fluidverbindbar mit einem verdichteten Frischluftpfad, insbesondere mit dem hier offenbarten Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad, der stromab vom Ladeluftkühler abzweigen kann. Zweckmäßig ist in dieser direkten Fluidverbindung zwischen Energiewandler-Zuströmungspfad und Innenbereich kein Laufrad angeordnet. Die Luft im vom Turbinengehäuse abgetrennten Gehäusebereich ist separiert vom Abgas der Turbine, welches einen höheren Feuchtegehalt aufweist als die dem Innenbereich zugeführte verdichtete und gekühlte Frischluft. Die Voluten der Strömungsmaschine sind nicht Bestandteil vom Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad. Die Strömungsmaschine kann derart gestaltet sein, dass mindestens ein Luftlager der Strömungsmaschine von der Luft durchströmbar ist, die durch den Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad dem Innenbereich zugeführt Luft wurde.
Die Strömungsmaschine kann im Innenbereich derart gestaltet sein, dass die Strömungsmaschine in einem Antriebsspalt zwischen Stator und Rotor vom elektrischen Antrieb einen Luftströmungsspalt ausbildet. Die Luftführung im Innenbereich kann bevorzugt dergestalt sein, dass der Luftströmungsspalt ausschließlich durchströmt wird von Luft, die zugeführt wird

i) durch den Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad,
ii) durch ein verdichterseitiges Lager, und/oder
iii) durch den Zuströmkanal zwischen verdichterseitigen Laufradgehäuse und Innenraum.

Am Rotor, insbesondere an dessen Außenoberfläche, können (Luft)Leitelemente vorgesehen sein, die die Luftströmung im Antriebsspalt ausbilden oder zumindest unterstützen. Der Innenbereich kann mindestens zwei Kammern aufweisen. Ein Druckunterschied zwischen diesen Kammern kann die Luftströmung im Antriebsspalt ausbilden oder zumindest unterstützen.
Der Innenbereich kann derart ausgebildet und fluidverbunden sein mit mindestens einem Laufrad, insbesondere Turbinenrad, dass die Luft während des Betriebs der Strömungsmaschine aus dem Innenbereich ausschließlich in das und/oder entlang dem Laufrad/Laufradgehäuse ausströmt und gleichzeitig keine Luft vom Laufrad/Laufradgehäuse in den Innenbereich strömen kann. Vorteilhaft wird somit vermieden, dass feuchte Luft in den Innenbereich, insbesondere in den Luftströmungsspalt, gelangt. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit gesenkt werden. Dies muss aber nicht so sein. Beispielsweise kann sich bei dem hier offenbarten Scheibenzuströmpfad eine andere Luftströmung einstellen.
Die Strömungsmaschine kann auch derart gestaltet sein, dass durch den Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad dem Innenbereich zugeführte Luft zunächst mindestens ein Luftlager, bevorzugt das hier offenbarte Axial-Luftlager einer/der Verdichtereinheit durchströmt, bevor die Luft in den Innenbereich gelangt. Danach kann die Luft beispielsweise durch einen Auslass im Innenbereich aus der Strömungsmaschine ausströmen, sofern die Luft nicht über das turbinenseitige Laufradgehäuse ausströmt.
Die hier offenbarte Strömungsmaschine kann insbesondere ein als Axial-Luftlager ausgebildetes Luftlager umfassen. Das Axial-Luftlager kann eine Scheibe umfassen, die drehfest verbunden ist mit der Welle. Zweckmäßig kann das Axial-Luftlager zwischen den beiden Laufrädern der Strömungsmaschine angeordnet sein. Die Strömungsmaschine kann einen Scheibenzuströmpfad für verdichtete Luft im Umfangsbereich der Scheibe aufweisen. Der Scheibenzuströmpfad kann derart im Umfangsbereich münden, dass sich im Umfangsbereich die Luft in zwei Teilströmungspfade aufteilt. Die Scheibe des Axial-Luftlagers weist zwei Seiten auf, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Jeweils ein Teilströmungspfad der zwei Teilströmungspfade kann durch jeweils eine Seite der Scheibe zumindest bereichsweise mit ausgebildet werden. Besonders vorteilhaft kann jeder der Teilströmungspfade kreisringförmig ausgebildet sein und sich vom Umfangsbereich der Scheibe zur Wellenmittelachse hin erstrecken. Zweckmäßig bildet jeder dieser Teilströmungspfade ein Luftpolster des Axial-Luftlagers aus. Da sich auf beiden Seiten der Scheibe gleiche Drücke einstellen, die auf gleich große Flächen einwirken, kann ein Kräftegleichgewicht an der Scheibe hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist unmittelbar benachbart zu den beiden Seiten der Scheibe jeweils eine weitere, bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Welle angeordnete, Wandung vorgesehen, die jeweils zusammen mit der jeweiligen Seite der Scheibe einen Luftspalt des Axial-Luftlagers ausbildet.
Die Flächen der Seiten der Scheiben sind bevorzugt so groß, dass die im Betrieb der Strömungsmaschine an die Welle angreifenden Axialkräfte von dem Axial-Luftlager aufgenommen werden können. Ein Teilströmungspfad der Teilströmungspfade kann in das turbinenseitige Laufradgehäuse münden. Vorteilhaft durchströmt die Luft dabei das turbinenseitige Luftlager und kühlt es. Ein anderer Teilströmungspfad der Teilströmungspfade kann in den Innenbereich münden und durch den im Innenbereich vorgeseheen Auslass aus den Innenbereich abströmen. Das turbinenseitige Luftlager könnte alternativ oder zusätzlich auch in diesen „anderen Teilströmungspfad“ angeordnet sein.
Die hier offenbarte Strömungsmaschine kann ferner mindestens einen Kühlflüssigkeitskanal zur Kühlung der Strömungsmaschine umfassen. Ferner kann die Strömungsmaschine mindestens einen Lagerluftkühlkanal umfassen. Durch den Lagerluftkühlkanal kann Luft, insbesondere die hier offenbarte abgasfreie Luft, zur Kühlung des mindesten einen Luftlagers geführt sein. Der Lagerluftkühlkanal kann zumindest bereichsweise unmittelbar benachbart zum Kühlflüssigkeitskanal angeordnet sein, sodass der Kühlflüssigkeitskanal und der Lagerluftkühlkanal einen Wärmetauscher bilden. Prinzipiell können diese Kanäle in verschiedenen Arten von Wärmetauscher realisiert sein. Besonders bevorzugt wird als Kühlmedium Wasser eingesetzt. Unmittelbar benachbart bedeutet, dass keine weitere Komponente/Funktionsbauteil dazwischen angeordnet ist. Bevorzugt teilen sich Kühlflüssigkeitskanal und Lagerluftkühlkanal zumindest bereichsweise eine Wand bzw. werden durch die gemeinsame Wand voneinander getrennt.
Der Kühlflüssigkeitskanal kann eingerichtet sein, eine elektrische Antriebsmaschine und/oder dessen elektrische Komponenten zur Drehzahlstellung der Antriebsmaschine zumindest teilweise zu kühlen.
Komponenten zur Drehzahlstellung sind beispielsweise die Leistungselektronikkomponenten eines Stromrichters, insbesondere eines Frequenzgleichrichters bzw. -Umrichters. Vorteilhaft teilen sich die elektrische Antriebsmaschine und die Komponenten zur Drehzahlstellung einen Kühlkreis. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühlflüssigkeitskanal am und/oder innerhalb von dem Gehäuse der Strömungsmaschine, insbesondere dem Antriebsgehäuse, vorgesehen. Gleichsam kann der Kühlflüssigkeitskanal auch im Gehäuse der Komponenten zur Drehzahlstellung vorgesehen sein. Bevorzugt sind die Komponenten zur Drehzahlstellung unmittelbar am Gehäuse der Antriebsmaschine befestigt.
Besonders bevorzugt können der Kühlflüssigkeitskanal und der Lagerluftkühlkanal in oder an einem Stator der elektrischen Antriebsmaschine angeordnet sein. Die Kanäle können beispielsweise an den Stator anliegen oder unmittelbar benachbart dazu angeordnet sein, sodass der Kühlflüssigkeitskanal den Stator kühlt. Besonders bevorzugt können der Kühlflüssigkeitskanal und der Lagerluftkühlkanal den Stator zumindest bereichsweise umgeben. Hierzu können jeweils ein Abschnitt vom Kühlflüssigkeitskanal und ein Abschnitt vom Lagerluftkühlkanal unmittelbar benachbart zueinander auf der Umfangsaußenfläche des Stators angeordnet sein. In einer Ausgestaltung können beide Kanäle nebeneinanderliegend spiralförmig oder mäanderförmig auf der Außenumfangsfläche des Stators ausgebildet sein.
Die hier offenbarte Strömungsmaschine kann ferner einen Verdichterabzweig aufweisen, der von einem verdichterseitigen Laufradgehäuse abzweigt. Der Verdichterabzweig zweigt bevorzugt von der Volute des verdichterseitigen Laufradgehäuses ab. Der Verdichterabzweig kann bevorzugt in den Lagerluftkühlkanal münden, bevorzugt innerhalb vom Antriebsgehäuse.
Vorteilhaft kann der Lagerluftkühlkanal mit dem hier offenbarten Scheibenzuströmpfad verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Lagerluftkühlkanal mit dem hier offenbarten Innenbereich fluidverbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann ferner vorgesehen sein, dass der Lagerluftkühlkanal fluidverbunden ist mit einer Rückseite des Verdichterrades, sodass die durch den Lagerluftkühlkanal verdichtete und gekühlte Luft zunächst durch das verdichterseitigen Luftlager strömt, bevor es in den Innenbereich gelangt.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Strömungswiderstandselement. Das Strömungswiderstandselement ist eingerichtet, die Luftmenge zu begrenzen, die dem Luftlager zugeführt wird. Bevorzugt kann das Strömungswiderstandselement ein verstellbares Ventil sein. Zweckmäßig wird das Ventil von dem hier offenbarten Steuergerät angesteuert. Bevorzugt ist das Strömungswiderstandselement im Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad angeordnet. Das Ventil kann aber auch an jeder anderen geeigneten Stelle angeordnet sein, sofern es die Zufuhr von verdichteter Frischluft in den Innenbereich bzw. direkt zum Luftlager verändern kann.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann die mindestens eine Strömungsmaschine, mindestens einen Ladeluftkühler, mindestens eine Einrichtung zur Befeuchtung, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden (Kathoden)zuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit der hier offenbarten Strömungsmaschine zum Verdichten von Frischluft.
Das Kraftfahrzeug kann mindestens ein Steuergerät umfassen. Das Steuergerät kann eingerichtet sein, mindestens eines der hier offenbarten Verfahren durchzuführen. Das Steuergerät kann eingerichtet sein, direkt oder indirekt den mindestens einen Wert zu erfassen, der indikativ ist für die Temperatur von mindestens einem Luftlager der Strömungsmaschine. Das Steuergerät kann ferner eingerichtet sein, die dem Luftlager bereitgestellten Luftmenge basierend auf den erfassten Wert anzupassen. Beispielsweise kann das Steuergerät hierzu ein Steuersignal an das hier offenbarte mindestens eine Ventil senden, welches daraufhin die dem mindestens einen Luftlager bereitgestellte Luftmenge verändert.
Die hier offenbarte Technologie umfasst gleichsam mehrere Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine bzw. eines Kraftfahrzeugs, bevorzugt der hier offenbarten Strömungsmaschine bzw. des hier offenbarten Kraftfahrzeugs.
Gemäß einem Aspekt kann das Verfahren die Schritte umfassen:

- direkt oder indirektes Erfassen von mindestens einem Wert, der indikativ für die Temperatur von dem mindestens einem Luftlager der Strömungsmaschine ist; und
- Anpassen der dem Luftlager zur Kühlung vom Luftlager bereitgestellten Luftmenge basierend auf den erfassten Wert.

In einer Ausgestaltung ist der Wert ein Wert, der von einem Luftlager-Temperatursensor direkt erfasst wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Wert anhand der Belastung der Strömungsmaschine und anderen Messwerten berechnet werden (indirekte Erfassung). Beispielsweise kann die Temperatur der dem Lager bereitgestellten Luft ermittelt werden, um aus diesen Wert dann die Temperatur im Luftlager zu approximieren. Das Anpassen der dem Luftlager bereitgestellten Luftmenge kann beispielsweise durch das hier offenbarte Strömungswiderstandselement bzw. durch das hier offenbarte Ventil erfolgen. Besonders bevorzugt kann die zur Kühlung vom Luftlager bereitgestellte Luftmenge auch unabhängig von der Drehzahl von dem mindestens einen Laufrad bzw. der Welle variiert werden, insbesondere durch das Ventil basierend auf den erfassten Wert.
Das hier offenbarte Verfahren kann gemäß einem weiteren Aspekt den Schritt umfassen, wonach die dem Luftlager bereitgestellte (Frisch)Luft abgasfreie Luft ist. Mit anderen Worten enthält die bereitgestellte Luft also kein Abgas aus dem Energiewandler. Wird als Energiewandler beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel eingesetzt, so enthält das Kathodenabgas vergleichsweise viel Feuchtigkeit, die nicht in die Lager und/oder in den Innenbereich eindringen soll. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die abgasfreie Luft im Betrieb der Strömungsmaschine von dem Innenbereich aus in das Luftlager einströmt und anschließend durch eines oder beide Laufradgehäuse der Strömungsmaschine abströmt. Hierzu kann das Verfahren den Schritt umfassen, wonach im Innenbereich während des Betriebs der Strömungsmaschine immer ein höherer Druck angelegt wird als in dem turbinenseitigen Laufradgehäuse. Somit stellt sich kontinuierlich ein Fluidstrom an Frischluft vom Innenbereich in das Turbinengehäuse ein, der den Eintritt von befeuchteten Gas in den Innenbereich und in das turbinenseitige Luftlager unterbindet.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die dem Luftlager bereitgestellte Luft aus dem Energiewandler-Zuströmungspfad oder aus dem verdichterseitigen Laufradgehäuse abgezweigt und dem Luftlager zugeführt werden. Beispielsweise kann hierzu die verdichtete Luft durch den hier offenbarten Verdichterabzweig oder durch den Strömungsmaschine-Zuströmungspfad strömen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der hier offenbarten Technologie kann die Strömungsmaschine eine variable Turbinengeometrie mit verstellbaren Leitschaufeln aufweisen. Eine solche Strömungsmaschine mit einer variablen Turbinengeometrie ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2017 211917.9 offenbart. Der Inhalt der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2017 211917.9 wird hiermit bezüglich der Ausgestaltung der Verstelleinrichtung, insbesondere bezüglich Anordnung und Funktion von Leitschaufeln, Steuergestänge und Aktuator, per Verweis hier mit aufgenommen. Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Stellung der Leitschaufeln unter Berücksichtigung des erfassten Wertes verändert wird. Durch die Stellung der Leitschaufeln können das auf die Welle übertragene Moment, der Durchfluss und/oder der Druck beeinflusst werden. Überdies beeinflusst die Stellung der Leitschaufeln auch das Druckgefälle zwischen Innenbereich und Laufradgehäuse. Mithin kann also auch durch geeignete Variation der Stellung der Leitschaufeln die durch das Lager strömende Luftmenge beeinflusst werden.
Gemäß eines weiteren Aspektes der hier offenbarten Technologie wird die Verstellung der Leitschaufeln dazu genutzt, auf die Welle einwirkende Axialkräfte bei unterschiedlichen Drehzahlen zu kompensieren. Hierzu kann der Effekt ausgenutzt werden, dass durch Variation der Leitschaufelstellung sich die Druckverhältnisse an der Laufradvorderseite des turbinenseitigen Laufrades verändern.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die hier offenbarte Technologie ferner ein Verfahren, bei dem der Druck in dem mindestens einen Innenbereich der Strömungsmaschine derart variiert wird, dass sich die auf die Welle einwirkenden Kräfte in axialer Richtung zumindest zu 80% oder im Wesentlichen ganz aufheben, insbesondere derart, wie es an anderer Stelle der hier offenbarten Technologie aufgezeigt wurde.
Bei einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt, wonach die bereitgestellte Luft vor dem Eintritt in das Luftlager gekühlt wird. Insbesondere kann die bereitgestellte Luft durch den hier offenbarten Ladeluftkühler gekühlt werden, der gleichzeitig verdichtete Luft für den Energiewandler bereitstellen kann. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise durch den hier offenbarten Kühlflüssigkeitskanal und den hier offenbarten Lagerluftkühlkanal die Luft gekühlt werden. Es sind aber auch andere Kühler zur Kühlung der bereitgestellten Luft vorstellbar.
Mit anderen Worten betrifft eine hier offenbarte Technologie einen Abgasturbolader, bei dem die beiden Seiten des Axiallagers aufgeteilt und jeweils an den Innenseiten des Verdichter- und Turbinenrads platziert werden. Die Lagerkühlung kann mit einem Bypass-Luftstrom nach dem Ladeluftkühler realisiert werden, dessen Druck höher ist als der Druck zwischen Verdichterrad/Diffusor bzw. vor dem Turbinenrad. Vorteilhaft lässt sich somit eine Welle mit einem kleineren Massenträgheitsmoment realisieren. Dadurch kann sich das Ansprechverhalten verbessern. Ferner kann somit eine steifere Welle aufgrund der geringeren Länge erzielt werden, wodurch höhere Eigenfrequenzen und somit höhere Drehzahlen möglich werden. Es werden ferner u.U. weniger Bauteile benötigt, was sich positiv auf Gewicht und Kosten auswirken kann.
Ferner betrifft eine hier offenbarte Technologie eine Kombination von Druckteiler und Verdichterrad zur Druckreduzierung auf der Radinnenseite. Dabei kann der Druck so angepasst werden, dass das Produkt mit der resultierenden Radinnenfläche dem Produkt mit dem resultierenden Druck Turbinenseite und Fläche ausgeglichen ist, um die Axialkräfte auszugleichen. Vorteilhaft kann somit eine kompaktere Bauweise mit gleichzeitiger Erhöhung der Drehzahl durch eine steifere Welle erzielt werden. Auch kann sich das Ansprechverhalten bzw. die Dynamik durch eine reduzierte Massenträgheit im Rotor verbessern. Es lassen sich somit vorteilhaft höhere Leistungsdichte realisieren. Vorteilhaft kann sich ferner eine weitere Spreizung (d.h. Minimaldrehzahl zu Maximaldrehzahl) ergeben die mit einen geringeren Leerlaufverbrauch einhergehen kann. Ferner vorteilhaft kann die Lagerbelastung verringert werden, wodurch geringere Lagerverluste durch kleineren Axiallagerdurchmesser möglich werden.
Ferner betrifft eine hier offenbarte Technologie eine integrierte Luftlagerkühlung, die bevorzugt auch an einem Anbaustromrichter vorgesehen sein kann. Anbaustromrichter sind bekannt, hierbei wird der Stromrichter direkt auf die Antriebsmaschine aufgesetzt. Der Vorteil besteht darin, dass sowohl die Motorphasen (z.B. über Stromschienen) als auch Kühlung und Sensoren im Stromrichter integriert sein können. Ebenso ist möglich, dass eine gemeinsame Kühlung und/oder gemeinsame Anschlüsse am Antriebsmotor vorgesehen sein können. Man benötigt daher bevorzugt nur einen Kühlungsmittel-Vorlauf, einen Rücklauf, eine Spannungsversorgung und/oder eine Kommunikationsschnittstelle.
Alternativ oder zusätzlich kann hier ein Kühler (gas/flüssig) für die Lagerkühlung in den Anbaustromrichter integriert werden, wobei dieser den gemeinsamen Kühlkreis von Stromrichter und elektrischen Antriebsmaschine verwenden kann. Hierbei kann der Kühlkörper des Stromrichters modifiziert werden und die dem Luftlager zuzuführende Luft kann wie bei einem Ladeluftkühler durch Lamellen heruntergekühlt werden.
Ferner betrifft eine hier offenbarte Technologie eine variable Lagerluftkühlung. Um eine Entkopplung vom Hauptluftstrom (= Energiewandler-Zuströmungspfad) zu erzielen, kann in der Lagerluftzuleitung ein kleines Stellventil verbaut sein, welches beispielsweise im Bereich von 2 mm bis 10 mm variabel einstellbar sein kann. Dieses Ventil kann idealerweise ebenfalls im Anbaustromrichter intergiert sein. Gleichsam ist vorstellbar, dass das Stellventil woanders vorgesehen ist, beispielsweise im externen Kühler integriert oder komplett als separates externes Bauteil.
Die hier offenbarte Technologie kann alternativ oder zusätzlich auch durch die nachstehenden Aspekte beschrieben werden:

1. Strömungsmaschine 500 für ein Kraftfahrzeug, umfassend: i) mindestens einen elektrischen Antrieb 530; und ii) mindestens ein Laufrad 512, 522; wobei das Laufrad 512, 522 und der elektrische Antrieb 530 über eine Welle 540 miteinander verbunden sind; und wobei bevorzugt am mindestens einen Laufrad 512, 522 mindestens ein Druckteiler 567, 568 vorgesehen sein kann und/oder wobei das mindestens eine Laufrad 512, 522 den mindestens einen Druckteiler 567, 568 mit ausbilden kann.
2. Strömungsmaschine 500 nach Aspekt 1, wobei der Druckteiler 567, 568 derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sich auf die Welle 540 einwirkende Kräfte in axialer Richtung zumindest zu 80% oder im Wesentlichen ganz aufheben.
3. Strömungsmaschine 500 nach Aspekt 2, wobei ein radialer Abstand dv zwischen der Oberfläche der Welle 540 und dem Druckteiler 567, 568 so gewählt ist, dass sich die auf die Welle 540 einwirkenden Kräfte in axialer Richtung zumindest zu 80% oder im Wesentlichen ganz aufheben.
4. Strömungsmaschine 500 nach einem der vorherigen Aspekte, wobei das Laufrad 512, 522 eine Vorderseite 514, 524 mit Luftleitelementen und eine Rückseite 513, 523 aufweist, wobei der Druckteiler 567, 568 an der Rückseite 513, 523 und/oder am Umfangsrand 519 des Laufrads 512, 522 vorgesehen ist; oder wobei der Druckteiler 567, 568 durch die Rückseite 513, 523 und/oder durch den Umfangsrand 519 mit ausgebildet wird.
5. Strömungsmaschine 500 nach einem der vorherigen Aspekte, wobei zumindest ein Teil vom Druckteiler 567, 568 auf einen axialen Vorsprung 511 der Rückseite 513, 523 angeordnet und/oder wobei der axiale Vorsprung den Druckteiler 567, 568 mit ausbildet.
6. Strömungsmaschine 500 nach einem der vorherigen Aspekte, wobei Druckteiler 567, 568 eine Radialdichtung oder eine Axialdichtung ist.
7. Strömungsmaschine 500 nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Welle 540 gelagert ist durch mindestens ein Luftlager.
8. Strömungsmaschine 500 nach Aspekt 7, wobei der Druckteiler 567, 568 fluidverbunden ist mit dem mindestens einen Luftlager und dem mindestens einen Laufrad 512, 522, so dass Luft zum Kühlen des Luftlagers über den Druckteiler 567, 568 zuführbar und/oder abführbar ist.
9. Strömungsmaschine 500 nach einem der vorherigen Aspekte,
1. i) wobei die Rückseite 513, 523 von mindestens einem Laufrad 512, 522 eine luftumströmte Fläche eines Axial-Luftlagers ausbildet; und/oder
2. ii) wobei eine Scheibe 546 eines Axial-Luftlagers mit der Welle 540 zwischen zwei Laufrädern 512, 522 drehfest verbunden ist, wobei ein Scheibenzuströmpfad 539 für verdichtete Luft im Umfangsbereich der Scheibe 546 derart mündet, dass sich dort die Luft in zwei Teilströmungspfade aufteilt.
10. Strömungsmaschine 500 nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 mindestens einen Kühlflüssigkeitskanal 537 aufweist, und wobei Luft zum Kühlen des mindestens einen Luftlagers durch einen Lagerluftkühlkanal 538 geführt ist, der zumindest bereichsweise unmittelbar benachbart zum Kühlflüssigkeitskanal 537 angeordnet ist.
11. Kraftfahrzeug, umfassend: i) eine Strömungsmaschine 500 nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 eingerichtet ist, über einen Energiewandler-Zuströmungspfad 415 Luft mindestens einem Energiewandler 300 zuzuführen; und ii) einen Ladeluftkühler 420, der eingerichtet ist, verdichtete Luft zu kühlen; wobei mindestens ein Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 stromab vom Ladeluftkühler 420 vom Energiewandler-Zuströmungspfad 415 abzweigt und in die Strömungsmaschine 500 ohne Beimischung von Abgas aus dem Energiewandler 300 mündet.
1. I. Strömungsmaschine 500 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem der vorherigen Aspekte, wobei eine Scheibe 546 eines Axial-Luftlagers der Strömungsmaschine 500 mit einer Welle 540 zwischen zwei Laufrädern 512, 522 drehfest verbunden ist; wobei ein Scheibenzuströmpfad 539 für verdichtete Luft im Umfangsbereich der Scheibe 546 mündet und sich dort die verdichtete Luft in zwei Teilströmungspfade aufteilt.
2. II. Strömungsmaschine nach Aspekt I., wobei die Scheibe 546 zwei Seiten aufweist, und wobei jeweils ein Teilströmungspfad der zwei Teilströmungspfade durch jeweils einer Seite der Scheibe 546 zumindest bereichsweise mit ausgebildet wird.
3. III. Strömungsmaschine nach Aspekt I. oder II., wobei jeder Teilströmungspfad kreisringförmig ausgebildet ist und vom Umfangsbereich zur Wellenmittelachse A-A hin verläuft.
4. IV. Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei jeder Teilströmungspfad ein Luftpolster des Axial-Luftlagers ausbildet.
5. V. Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei ein Teilströmungspfad der Teilströmungspfade in ein turbinenseitiges Laufradgehäuse 526 mündet.
6. VI. Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 ein Antriebsgehäuse 536 aufweist, dessen Innenbereich I1, I2 von einem turbinenseitigen Laufradgehäuse 526 abgetrennt ist; und wobei ein anderer Teilströmungspfad der Teilströmungspfade in den Innenbereich I1, I2 mündet.
7. VII. Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine der gestaltet ist, dass mindestens ein verdichterseitiges Luftlager 512 von Luft durchströmt wird, die anschließend in den Innenbereich I1, I2 strömt.
8. VIII. Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei der Innenbereich I1, I2 fluidverbunden ist mit einem Auslass 560, durch den die Luft aus dem Innenbereich I1, I2 abströmt.
  1. (1) Strömungsmaschine 500 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem der vorherigen Aspekte, umfassend: i) mindestens ein Luftlager zur Lagerung einer Welle 540; ii) mindestens einen Kühlflüssigkeitskanal 537 zur Kühlung der Strömungsmaschine 500; und iii) mindestens einen Lagerluftkühlkanal 538, wobei durch den Lagerluftkühlkanal 538 die abgasfreie Luft zur Kühlung des mindestens einen Luftlagers geführt ist, wobei der Lagerluftkühlkanal 538 zumindest bereichsweise unmittelbar benachbart zum Kühlflüssigkeitskanal 537 angeordnet ist.
  2. (2) Strömungsmaschine 500 nach Aspekt (1), wobei der Kühlflüssigkeitskanal 537 eingerichtet ist, eine elektrische Antriebsmaschine 530 und/oder dessen elektrische Komponenten 700 zur Drehzahlstellung zumindest teilweise zu kühlen.
  3. (3) Strömungsmaschine 500 nach Aspekt (1) oder (2), wobei der Kühlflüssigkeitskanal 537 in und/oder an einem Gehäuse der Strömungsmaschine 500 vorgesehen ist.
  4. (4) Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei der Kühlflüssigkeitskanal 537 und der Lagerluftkühlkanal 538 in oder an einem Stator 532, 534 der elektrischen Antriebsmaschine 530 angeordnet sind.
  5. (5) Strömungsmaschine nach Aspekt (4), wobei der Kühlflüssigkeitskanal 537 und der Lagerluftkühlkanal 538 den Stator 532, 534 zumindest bereichsweise umgeben.
  6. (6) Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei ein Verdichterabzweig 531 von einem verdichterseitigen Laufradgehäuse 516 abzweigt und in den Lagerluftkühlkanal 538 mündet.
  7. (7) Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei eine Scheibe 546 eines Axial-Luftlagers mit der Welle 540 zwischen zwei Laufrädern 512, 522 drehfest verbunden ist; wobei ein Scheibenzuströmpfad 539 fluidverbunden ist mit dem Lagerluftkühlkanal 538; und wobei Luft im Umfangsbereich der Scheibe 546 derart mündet, dass die Luft sich dort in zwei Teilströmungspfade aufteilt.
  8. (8) Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, ferner umfassend ein Ventil 418 zur Veränderung der dem Luftlager bereitgestellten Luftmenge.
  9. (9) Strömungsmaschine nach Aspekt (8), wobei das Ventil 418 eingerichtet ist, die zur Kühlung vom Luftlager bereitgestellte Luftmenge auch unabhängig von der Drehzahl vom Laufrad 512, 522 zu variieren.
  10. (10) Strömungsmaschine nach Aspekt (8) oder (9), ferner umfassend mindestens ein Steuergerät; wobei das Steuergerät eingerichtet ist, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, mindestens einen Wert zu erfassen, der indikativ ist für die Temperatur von dem mindestens einen Luftlager; und wobei das Steuergerät eingerichtet ist, die dem Luftlager bereitgestellten Luftmenge basierend auf den erfassten Wert zu anzupassen.
    1. a. Kraftfahrzeug umfassend: i) eine Strömungsmaschine 500, insbesondere eine Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 eingerichtet ist, über einen Energiewandler-Zuströmungspfad 415 Luft mindestens einem Energiewandler 300 zuzuführen; und ii) einen Ladeluftkühler 420, der eingerichtet ist, die verdichtete Luft zu kühlen; wobei mindestens ein Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 stromab vom Ladeluftkühler 420 vom Energiewandler-Zuströmungspfad 415 abzweigt und in die Strömungsmaschine 500 ohne Beimischung von Abgas aus dem Energiewandler 300 mündet.
    2. b. Kraftfahrzeug nach Aspekt a., wobei der Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 stromauf von einer Einrichtung 430 zur Befeuchtung der Luft vom Energiewandler-Zuströmungspfad 415 abzweigt.
    3. c. Kraftfahrzeug nach Aspekt a. oder b., wobei die Strömungsmaschine 500 einen Gehäusebereich aufweist, dessen Innenbereich I₁, I₂ von einem turbinenseitigen Laufradgehäuse 526 abgetrennt ist; und wobei der Innenbereich I₁, I₂ direkt fluidverbunden ist mit dem Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417.
    4. d. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 derart gestaltet ist, dass mindestens ein Luftlager der Strömungsmaschine von der durch den Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 dem Innenbereich I₁, I₂ zugeführten Luft durchströmbar ist.
    5. e. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Aspekte, wobei der Innenbereich I₁, I₂ derart ausgebildet und fluidverbunden ist mit mindestens einem Laufrad 512, 522, insbesondere Turbinenrad 512, dass im Innenbereich während des Betriebs der Strömungsmaschine immer ein höherer Druck vorliegt als in einem turbinenseitigen Laufradgehäuse 526.
    6. f. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Aspekte, wobei durch ein Strömungswiderstandselement im Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 der Luftmassenstrom in das mindestens eine Luftlager begrenzt ist.
    7. g. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Aspekte, wobei eine Scheibe 546 eines Axial-Luftlagers mit der Welle 540 zwischen zwei Laufrädern 512, 522 drehfest verbunden ist, wobei ein Scheibenzuströmpfad 539 für verdichtete Luft im Umfangsbereich der Scheibe 546 derart mündet, dass sich dort die Luft in zwei Teilströmungspfade aufteilt.
    8. h. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 mindestens einen Kühlflüssigkeitskanal 537 aufweist, und wobei Luft zum Kühlen des mindestens einen Luftlagers zumindest bereichsweise zur Abkühlung der Luft unmittelbar benachbart zum Kühlflüssigkeitskanal 537 geführt ist.
    9. i. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte:
      - - Zuführen von verdichteter Luft zu mindestens einem Energiewandler 300 über einen Energiewandler-Zuströmungspfad 415 mittels einer Strömungsmaschine 500;
      - - Kühlen der verdichteten Luft durch einen Ladeluftkühler 420;
      - - Abzweigen der gekühlten Luft stromab vom Ladeluftkühler 420 und
      - - Zuführen der abgezweigten Luft in die Strömungsmaschine 500 ohne Beimischung von Abgas aus dem Energiewandler 300.
    10. j. Verfahren nach Aspekt i., ferner umfassend den Schritt: Kühlen von mindestens einem Luftlager der Strömungsmaschine 500, indem die abgezweigte und zugeführte Luft von einem Innenbereich I₁, I₂ eines Antriebsgehäuses 536 der Strömungsmaschine 500 zu dem mindestens einen Luftlager transportiert wird, wobei im Innenbereich I₁, I₂ ein höherer Druck vorherrscht als in zumindest einem der Laufradgehäuse 516, 526.
    11. k. Verfahren nach einem der Aspekte i. oder j., ferner umfassend die Schritte: direktes oder indirektes Erfassen eines Wertes, der indikativ für die Temperatur von mindestens einem Luftlager ist; und Anpassen der dem Luftlager bereitgestellten Luftmenge basierend auf den erfassten Wert.
      1. a) Verfahren, insbesondere ein Verfahren nach einem der vorangegangenen Aspekte, zum Betreiben einer Strömungsmaschine 500 (, insbesondere einer Strömungsmaschine nach einem der vorangegangenen Aspekte), eines Kraftfahrzeugs (insbesondere des hier offenbarten Kraftfahrzeugs), umfassend die Schritte:
        
        - Erfassen von mindestens einem Wert, der indikativ für die Temperatur von mindestens einem Luftlager einer Strömungsmaschine 500, insbesondere der Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Aspekte, ist; und
        
        - Anpassen der dem Luftlager zur Kühlung vom Luftlager bereitgestellten Luftmenge basierend auf den erfassten Wert.
      2. b) Verfahren nach Aspekt a), wobei die zur Kühlung vom Luftlager bereitgestellte Luftmenge auch unabhängig von der Drehzahl von mindestens einem Laufrad 512, 522 variierbar ist.
      3. c) Verfahren nach Aspekt a) oder b), wobei die dem Luftlager bereitgestellte frischLuft abgasfreie Luft ist.
      4. d) Verfahren nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die dem Luftlager bereitgestellte Luft aus einem Energiewandler-Zuströmungspfad 415 oder aus einem verdichterseitigen Laufradgehäuse 516 abgezweigt und dem Luftlager zugeführt wurde.
      5. e) Verfahren nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 einen Gehäusebereich aufweist, dessen Innenbereich I₁, I₂ von einem turbinenseitigen Laufradgehäuse 526 abgetrennt ist; und wobei die Luft im Betrieb der Strömungsmaschine 500 von dem Innenbereich I₁, I₂ aus in das Luftlager einströmt und anschließend durch ein Laufradgehäuse 516, 526 der Strömungsmaschine 500 abströmt.
      6. f) Verfahren nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Strömungsmaschine 500 eine variable Turbinengeometrie mit verstellbaren Leitschaufeln aufweist, wobei die Stellung der Leitschaufeln unter Berücksichtigung des erfassten Wertes verändert wird.
      7. g) Verfahren nach einem der vorherigen Aspekte, ferner umfassend den Schritt, wonach die bereitgestellte Luft vor dem Eintritt in das Luftlager gekühlt wird.
      8. h) Verfahren nach Aspekt g), wobei die bereitgestellte Luft durch einen Ladeluftkühler 420 gekühlt wird, wobei der Ladeluftkühler 420 gleichzeitig verdichtete Luft für einen Energiewandler 300 bereitstellt.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems;
2 eine schematische Querschnittsansicht durch die Strömungsmaschine 500;
3 eine schematische Querschnittsansicht durch eine weitere Strömungsmaschine 500;
4 bis 6 eine schematische Querschnittsansicht eines alternativen Turbinenrades sowie die sich dann einstellenden Druckverläufe; für die Strömungsmaschine 500 gemäß der 3;
7 bis 8 weitere schematische Querschnittsansichten durch weitere Strömungsmaschine 500; und
9 und 10 weitere schematische Ansichten von hier offenbarten Strömungsmaschine

Die 1 bis 7 zeigen schematisch Ausgestaltungen der hier offenbarten Technologie bei denen ein Brennstoffzellensystem zu Grunde gelegt wird. Gleichsam ist die hier offenbarte Technologie auch anwendbar auf ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine.
Die 1 zeigt einen Energiewandler 300, der hier als Brennstoffzellenstapel 300 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel 300 ist schematisch unterteilt in eine Kathode K und eine Anode A. Der Aufbau eines solchen Brennstoffzellenstapels 300 ist dem Fachmann geläufig. Das Anodensubsystem umfasst eine Brennstoffquelle H2, die Brennstoff bereitstellt, z.B. Wasserstoff. Durch den Druckminderer 211 wird der Druck in dem Anodenzuströmungspfad 215 reduziert, bevor der Brennstoff in die Anode A vom Brennstoffzellenstapel 300 gelangt. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 verlässt das Anodenabgas den Brennstoffzellenstapel 300 und wird zumindest teilweise über den Rezirkulationsförderer 236 rezirkuliert. Im Wasserabscheider 232 wird Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden. Durch das Anodenspülventil 238 wird Wasser und Purgegas aus dem Anodensubsystem in die Anodenspülleitung 239 abgelassen.
Die Strömungsmaschine 500 saugt Luft O2 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird im Ladeluftkühler 420 gekühlt und gegebenenfalls weiter stromab im Kathodenzuströmungspfad 415 (= Energiewandler-Zuströmungspfad) durch eine Einrichtung 430 zur Befeuchtung der Luft befeuchtet. Anschließend gelangt die befeuchtete Luft in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300, wo die elektrochemische Reaktion mit dem Brennstoff der Anode A stattfindet.
Ferner gezeigt sind kathodenseitige Stapel-Absperrventile 470,480, die ebenso vorgesehen sein können wie der Bypass 460. Dies muss aber nicht so sein. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 gelangt das Kathodenabgas durch den Kathodenabgaspfad 416 in die Umgebung.
Die hier gezeigte Strömungsmaschine 500 umfasst eine Verdichtereinheit 510, die den Kathodenzuströmungspfad 415 mit ausbildet. Ferner umfasst die hier gezeigte Strömungsmaschine 500 eine Turbineneinheit 520, die den (Kathoden)abgaspfad 416 mit ausbildet. Die Verdichtereinheit 510, die Turbineneinheit 520 und der elektrische Antrieb 530 sind hier über eine Welle 540 starr miteinander verbunden. In dem Antriebsgehäuse 536 der Strömungsmaschine 500 mündet hier der Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417, der stromab vom Ladeluftkühler 420 von dem Kathodenzuströmungspfad 415 abzweigt. Durch den Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 gelangt die verdichtete, gekühlte und abgasfreie Frischluft direkt in das Gehäuse der Strömungsmaschine 500. Der Innenbereich vom Antriebsgehäuse 536 ist abgetrennt von dem turbinenseitigen Laufradgehäuse der Verdichtereinheit 520 (nicht gezeigt). Es wird insbesondere nicht Kathodenabgas in das Antriebsgehäuse 536 eingebracht.
Im Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 ist hier ein Ventil 418 vorgesehen. Ein Steuergerät (nicht gezeigt) ist eingerichtet, mindestens einen Wert zu erfassen, der indikativ für die Temperatur von mindestens einem Luftlager der Strömungsmaschine ist. Dieser Wert kann direkt oder indirekt erfasst sein. Basierend auf diesen Wert bestimmt das Steuergerät, ob die Luftmenge angepasst werden muss, die dem Luftlager zur Kühlung vom Luftlager bereitgestellt wird. Ist dies der Fall, so sendet das Steuergerät ein Signal an das Ventil 418, wodurch die Ventilstellung und somit die Luftmenge verändert wird. In der 1 sowie in allen anderen Figuren nicht gezeigt sind etwaige Temperatursensoren, die zur direkten oder indirekten Erfassung der Lagertemperatur vorgesehen sein können. Je nach Ausgestaltung der Strömungsmaschine 500 kann das Ventil 418 auch an einer anderen Stelle vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Ventil 418 in das Gehäuse 536 der elektrischen Antriebsmaschine 530 und/oder dessen drehzahlstellende Komponenten mit integriert sein. Die Darstellung eines solchen Ventils ist in den folgenden Figuren vereinfachend weggelassen worden.
Die 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Strömungsmaschine 500. An einem Ende der Strömungsmaschine ist die Verdichtereinheit 510 vorgesehen. Die Verdichtereinheit 510 umfasst das spiralförmige Verdichtergehäuse 516 mit der Volute V₅₁₀. Die Verdichtereinheit 510 umfasst ferner das Verdichterrad 512. Das Verdichterrad 512 weist an seiner Vorderseite 514 rotierende Laufschaufeln auf. Auf der der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite 513 weist das Verdichterrad 512 hier die luftumströmte erste Fläche des Axial-Luftlagers auf. Diese luftumströmte erste Fläche 513 bildet zusammen mit dem ihr gegenüberliegenden ersten Gehäuseabschnitt 563 des Antriebsgehäuses 530 einen ersten Luftspalt aus. Diese erste luftumströmte Fläche 513 und der erste Gehäuseabschnitt 563 bilden bei Rotation des Verdichterrads 512 ein erstes Luftpolster aus. Gleichsam umfasst die Strömungsmaschine 500 eine Turbineneinheit 520 mit einem spiralförmigen Turbinengehäuse 526, dass die Volute V₅₂₀ ausbildet. Im Turbinengehäuse 526. angeordnet ist hier das Turbinenrad 522. Das Turbinenrad 522 weist an seiner Vorderseite 524 Laufschaufeln auf. An der der Vorderseite 524 gegenüberliegenden Rückseite 523 des Turbinenrads 522 ist die zweite luftumströmte Fläche ausgebildet, die einem zweiten Gehäuseabschnitt 564 gegenüberliegt. Die zweite luftumströmte Fläche 523 bildet zusammen mit dem zweiten Gehäuseabschnitt 564 einen zweiten Luftspalt und bei Rotation ein zweites Luftpolster aus. Vorteilhaft wird somit das Axial-Luftlager vereinfacht und eine separate Scheibe, die beiderseits mit Luft beaufschlagt wird, kann hier entfallen. Vorteilhaft kann somit die Gesamtlänge der Welle 540 reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch ein Axial-Luftlager mit der hier offenbarten separaten Scheibe vorgesehen sein.
Zwischen der Verdichtereinheit 510 und der Turbineneinheit 520 ist die elektrische Antriebsmaschine 530 im Antriebsgehäuse 436 angeordnet. Die elektrische Antriebsmaschine 530 umfasst hier einen Stator mit Statorblechen 532 sowie einer Statorwicklung 534. Auf der Welle 540 ist hier ferner ein Rotor 535 des elektrischen Antriebs 530 vorgesehen. Der Kühlflüssigkeitskanal 537 im Antriebsgehäuse 536 dient zur Kühlung vom Stator. Gleichsam kann der mindestens eine Kühlflüssigkeitskanal 537 auch zur Kühlung des mindestens einen Luftlagers dienen (vgl. 3. 7 und 8).
Nicht gezeigt ist hier die Mündung vom Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417. Die abgasfreie Frischluft aus dem Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 wird dem Innenbereich I₁, I₂ im Inneren des Antriebsgehäuses 436 zugeführt. Der Innenbereich I₁, I₂ ist fluidverbunden mit dem ersten und/oder zweiten Luftspalt. Ferner ist der Innenbereich fluidverbunden mit einem Antriebsspalt, der zwischen dem Rotor 235 und den Statorblechen 532 ausgebildet wird. Es kann vorgesehen sein, dass durch eine entsprechend gestaltete Außenoberfläche des Rotors 535 und/oder durch eine entsprechende Druckdifferenz zwischen verschiedenen Kammern I₁, I₂ des Innenbereichs I₁, I₂ eine Strömung von einer Kammer zur anderen Kammer der Strömungsmaschine durch den Antriebsspalt eingestellt wird. Vorteilhaft kann somit die durch den Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 dem Innenbereich I₁, I₂ zugeführte verdichtete und gekühlte Frischluft sowohl den elektrischen Antrieb 530 als auch die Axial-Luftlager und etwaige Radial-Luftlager 542,544 kühlen. In einer weiteren Ausgestaltung wird die Frischluft aus dem Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 dem ersten Luftspalt zwischen der Rückseite 513 des Verdichterrades 512 und dem ersten Gehäuseabschnitt 563 zugeführt. In diesem Fall würde der Luftspalt vom Axial-Luftlager der Verdichtereinheit 510 sowie der Luftspalt vom Radial-Luftlager 542 in umgekehrter Richtung durchströmt (nicht gezeigt). Ferner nicht gezeigt sind die gegebenenfalls vorgesehenen Druckteiler der hier offenbarten Technologie (vgl. 3 bis 6).
Die 3 zeigt eine Strömungsmaschine 500, die der der 2 sehr ähnlich ist. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede erläutert. In dieser Ausgestaltung sind schematisch die Druckteiler 567, 568 eingezeichnet, die ein Druckgefälle zwischen den Teilbereichen stromauf und stromab vom Druckteiler 567, 568 erzeugen. Der Druckteiler 567, 568 kann jede geeignete Ausgestaltung aufweisen. Hier ist der Druckteiler 567,568 eine Dichtlippe.
Ebenso kann der Druckteiler 567, 568 auch integral in dem ersten oder zweiten Gehäuseabschnitt 563, 564 ausgebildet sein. Die Druckteiler 567, 568 sind hier so ausgebildet und angeordnet, dass sich die Kräfte in axialer Richtung im Wesentlichen aufheben. Hier gezeigt sind zwei Druckteiler 567, 568. Ebenso ist vorstellbar, dass lediglich am Verdichterrad ein Druckteiler 567 vorgesehen ist. Aus Versuchsreihen und/oder Berechnungen sind für den Fachmann die an den Laufrädern 512, 522 vorherrschenden Drücke und angreifenden Axialkräfte ermittelbar. Aus der Summation der Kraftvektoren resultiert eine Gesamtkraft. Durch den bzw. die Druckteiler lassen sich nun die Druckverhältnisse auf der(den) Rückseite(n) so variierten, dass die resultierende Gesamtkraft annähernd den Wert null annimmt (vgl. 4 und 5).
Der Druck ist hier über den Strömungswiderstand im Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 wiederum so eingestellt, dass der Druck im Innenbereich I₁, I₂

a) geringer ist als der Druck am Ausgang des Verdichterrads 512 und
b) größer ist als der Druck in der Volute V₅₂₀ der Turbine.

₁

₂

₁

₂

2

7

8

Als axiale Lagerung kann das hier offenbarte Axial-Luftlager oder aber auch jedes geeignete andere Axial-Lager eingesetzt werden. Insbesondere kann auch das hier offenbarte Axial-Lager mit einem Scheibenzuströmpfad vorgesehen sein (vgl. 8). Hier ist die axiale Lagerung vereinfachend weggelassen worden. Ferner ist in der Figur drei ein Lagerluftkühlkanal 538 angedeutet, der hier zusammen mit den Kühlflüssigkeitskanal 537 einen Wärmetauscher ausbildet. Der Kühlflüssigkeitskanal 537 umgibt hier den Stator der Antriebsmaschine 530 und kühlt den Stator. Der Lagerluftkühlkanal 538 ist hier auf der Außenseite vom Kühlflüssigkeitskanal 537 vorgesehen. Die Strömungskanäle sind hier zumindest bereichsweise senkrecht zueinander angeordnet. Es handelt sich also um einen Kreuzstrom-Wärmetauscher. Die genaue Funktion und Anbindung vom Lagerluftkühlkanal 538 und vom Kühlflüssigkeitskanal 537 ist im Zusammenhang mit den 7 und 8 erläutert.
Die 4 zeigt schematisch das Verdichterrad 512 der 3 mit den Druckverläufen auf der Vorderseite 514 und der Rückseite 513. Der Druck auf der Vorderseite 514 im Eingangsbereich des Verdichterrads 512 beträgt P_I. Der Druck auf der Vorderseite 514 im Ausgangsbereich des Verdichterrads 512 beträgt P_A. Hier ist vereinfachend ein linearer Druckanstieg angenommen worden. Ein Strömungspfad verbindet hier den Innenbereich I₁, I₂ mit der Volute V₅₂₀. Auf der Rückseite 513 vom Verdichterrad 512 liegt in einem ersten Teilbereich des Strömungspfads proximal zur Volute V₅₂₀ ein Druck an, der im Wesentlichen dem Druck P_A entspricht. In einem zweiten Teilbereich proximal zum Innenbereich I₁, I₂ liegt hier der Druck P_G an, der im Wesentlichen dem Druck im Innenbereich I₁ entspricht. Der Druckverlauf ist hier nicht stetig. Vielmehr bewirkt hier der Druckteiler 567 einen sprunghaften Druckabfall. Aus den Drücken, die auf der Vorderseite 514 und der Rückseite 513 angreifen, und den entsprechenden Flächen, an denen die Drücke angreifen, lassen sich die einzelnen Kräfte und schließlich die axiale Gesamtkraft ermitteln. Durch Variation der Flächen vom ersten und zweiten Teilbereich an der Rückseite 513 (d.h. Variation vom Abstand dv) und durch Variation des Druckgefälles lassen sich die Kräfte einstellen. Besonders bevorzugt wird dabei ein Mindestmassenstrom an Luft durch den Strömungspfad vorgesehen, damit das mindestens eine Radial-Luftlager 542, 544 und/oder das mindestens eine Axial-Luftlager ausreichend gekühlt sind. Hier dargestellt ist ein als Verdichterrad 512 ausgestaltetes Laufrad. Gleiches gilt für ein als Turbinenrad ausgestaltetes Laufrad. Die hier gezeigte Strömungsmaschine 500 umfasst ein Turbinenrad 522 und ein Verdichterrad 512, die jeweils einen Druckteiler 567, 568 aufweisen. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso kann auch lediglich am Turbinenrad 522 oder am Verdichterrad 512 ein Druckteiler vorgesehen sein. Sofern ein Turbinenrad 522 und ein Verdichterrad 512 vorgesehen sind, werden bevorzugt alle an beiden Laufrädern auftretenden Drücke und daraus resultierenden Axialkräfte zur Bestimmung der Gesamtkraft zu berücksichtigt.
Die 5 zeigt schematisch ein weiteres Verdichterrad 512 mit den Druckverläufen auf der Vorderseite 514 und der Rückseite 513. Das Laufrad 512 ähnelt sehr dem Laufrad der 4. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede erläutert. In der 4 ist der Druckteiler 567 in einem Abstand dv von der Oberfläche der Welle angeordnet, der ca. 60 % vom maximalen Laufradabstand Dv beträgt. Im Gegensatz hierzu ist in 5 ein Druckteiler auf dem Umfangsrand 519 (insbesondere auf dessen Umfangsfläche) vom Verdichterrad 514 vorgesehen. Eine solche Ausgestaltung bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass sie besonders platzsparend ist. Dient dieser Druckteiler gleichzeitig als Radialdichtung, so kann vorteilhaft eine Welle mit geringere Gesamtlänge vorgesehen werden. Wie in der 4 ist auch in der 5 der sprunghafte Abfall vom Druck auf der Rückseite lediglich schematisch dargestellt.
Die 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Druckteilers 567. Der Druckteiler 567 ist hier auf einen axialen Vorsprung 511 angeordnet, der in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse A-A vom Laufrad 512 bzw. von der Welle 540, angeordnet ist. Hier ist der Druckteiler als Dichtung ausgebildet. Der Druckteiler 567 wird hier von einer Stirnseite des Verdichtergehäuses 516 mit ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann irgendeine andere Stirnseite des Gehäuses, z.B. eine Stirnseite vom Antriebsgehäuse 536, den Druckteiler 567 mit ausbilden. Die Druckverteilung stellt sich nach demselben Prinzip ein wie in 4 und 5.
Die in den 3 bis 6 gezeigten Druckteiler sind gleichsam in den Ausführungsformen gemäß den 2, 7 und 8 anwendbar.
Die 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den Ausführungsformen gemäß den vorhergehenden Figuren erläutert. Der Lagerluftkühlkanal 538 ist hier ebenso wie der Kühlflüssigkeitskanal 537 konzentrisch zur Wellenachse A-A angeordnet. Der Lagerluftkühlkanal 538 und der Kühlflüssigkeitskanal 537 umgeben hier den Stator der Antriebsmaschine 530. Der Lagerluftkühlkanal 538 und der Kühlflüssigkeitskanal 537 sind unmittelbar benachbart zueinander angeordnet und verlaufen spiralförmig. Die beiden Kanäle 537,538 bilden hier einen Gas/flüssig Wärmetauscher aus. Durch den Verdichterabzweig 531 strömt die verdichtete Frischluft in den Lagerluftkühlkanal 538 ein und wird dort gekühlt. In der 7 nicht gezeigt ist die Fluidverbindung zwischen dem Lagerluftkühlkanal 538 und dem Innenbereich I₁, I₂. Ferner sind in der hier gezeigten Ausgestaltung die Axial-Luftlager vereinfachend weggelassen worden. In der hier gezeigten Ausgestaltung wird die verdichtete Frischluft der Volute V510 entnommen. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso kann der Lagerluftkühlkanal 538 mit dem Strömungsmaschine-Zuströmungspfad 417 fluidverbunden sein. Ebenso können die Luftströmungspfade durch die Luftlager so ausgestaltet sein, wie es in Verbindung mit den 2 und 8 erläutert wurde.
Die 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den Ausführungsformen gemäß den vorhergehenden Figuren erläutert. In der 8 ist eine Scheibe 546 offenbart, die drehfest mit der Welle 540 ausgebildet ist. Die Scheibe 546 ist Teil eines Axial-Luftlagers, dass zumindest bereichsweise zwischen den zwei Laufrädern 512, 522 angeordnet ist. Ein Scheibenzuströmpfad 539 für die verdichtete und gekühlte Luft mündet hier im Umfangsbereich der Scheibe 546. Der Scheibenzuströmpfad 539 ist hier fluidverbunden mit dem Lagerluftkühlkanal 538. Dies muss aber nicht so sein. Alternativ könnte der Scheibenzuströmpfad 539 beispielsweise mit dem Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 fluidverbunden sein. Im Umfangsbereich der Scheibe 546 teilt sich der Scheibenzuströmpfad in zwei Teilströmungspfade auf. In der hier dargestellten Ausgestaltung ist das Radial-Luftlager 544 zwischen der Scheibe 546 und dem Innenbereich I₁, I₂ angeordnet. Dies muss aber nicht so sein. Zweckmäßig kann das Radial-Luftlager 544 auch zwischen der Scheibe 546 und dem Turbinenrad 522 angeordnet sein. Die beiden Teilströmungspfade werden zumindest bereichsweise von den zwei gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 546 mit ausgebildet. Jeder Teilströmungspfad verläuft hier kreisringförmig vom Umfangsbereich der Scheibe 546 zur Mittelachse A-A der Welle 540 hin. Die Strömungsmaschine 500 ist derart ausgebildet, dass im Umfangsbereich der Scheibe 546 ein höherer Druck vorliegt als im Innenbereich I₁, I₂ des Antriebsgehäuses 536. Ferner ist der Druck im Umfangsbereich der Scheibe 546 höher als im turbinenseitigen Laufradgehäuse 526. Diese Druckverhältnisse können erzielt werden durch Entnahme der Frischluft aus dem Energiewandler-Zuströmungspfad 415 an einer geeigneten Stelle sowie durch entsprechend geringe Druckverluste in den Lagerluft führenden Kanälen 538, 539. Alternativ oder zusätzlich kann der Druck im Turbinengehäuse 526 noch durch die hier offenbarte variable Turbinengeometrie (nicht gezeigt) beeinflusst werden. Der Innenraum I₁, I₂ umfasst hier einen Auslass 560, durch den die in den Innenraum I₁, I₂ eingebrachte Frischluft entweichen kann. Das hier dargestellte Axial-Luftlager mit der Scheibe 546 ist eingerichtet, etwaige Axialkräfte der Welle 540 aufzunehmen. Mit der hier offenbarten Technologie lässt sich vorteilhaft sicherstellen, dass einerseits Axialkräfte sicher beherrscht werden und andererseits kein feuchtes Abgas in den Innenbereich I₁, I₂ eindringt. Besonders vorteilhaft ist hier die Kompensation von Axialkräften unabhängig von der Menge an abgasfreier Frischluft, die den turbinenseitigen und/oder verdichterseitigen Luftlagern bereitgestellt wird. Somit kann mit dieser Ausgestaltung die Luftmenge zur Kühlung des mindestens einen Luftlagers variiert werden, ohne dass dadurch die Kompensation der Querkräfte und oder die Strömungsrichtung in dem mindestens einen Luftlager beeinflusst wird. Je nach Ausgestaltung der Druckdifferenzen ist ebenso vorstellbar, dass abgasfreie Frischluft aus dem Innenbereich I₁, I₂ in das verdichterseitige Luftlager einströmt und durch die verdichterseitige Volute V₅₁₀ das Luftlager wieder verlässt.
Die 9 zeigt schematisch einen Teil eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs mit einer weiteren Ausgestaltung der hier offenbarten Strömungsmaschine 500. die Strömungsmaschine umfasst hier eine Verdichtereinheit 510, die einen Kathodenzuströmungspfad 415 mit ausbildet. Die Verdichtereinheit 510 saugt durch einen Luftfilter 700 gefilterte Luft an und verdichtet diese. Vom Kathodenzuströmungspfad 415 zweigt hier der Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 ab. Der Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 ist hier direkt fluidverbunden mit den Luftlagern der Strömungsmaschine 500, von denen hier schematisch die Radial-Luftlager 542, 544 gezeigt sind. An den Luftlagern sind hier Luftlager-Temperatursensoren T_T, T_V vorgesehen. Ferner ist im Strömungspfad 417 ein Drucksensor angeordnet. Im Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 kann hier ferner ein Wärmetauscher 422 angeordnet sein. Der Ladeluftkühler 420 (vgl. 1) kann ebenso eingesetzt werden in einer Ausgestaltung nach einem der vorhergehenden Figuren. Ist ein solcher Wärmetauscher 422 vorgesehen, so kann der Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417 auch stromauf vom Ladeluftkühler 420 abzweigen. Ist dies der Fall, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Ladeluftkühler 420 und die Einrichtung 430 zur Befeuchtung der befeuchteten Frischluft als eine integrierte Einrichtung ausgebildet werden. Eine solche Kombination von Ladeluftkühler und Befeuchter ist besonders platzsparend, leicht und/oder kostengünstig. Bevorzugt ist der Wärmetauscher 422 ein flüssig/Gas Wärmetauscher. Beispielsweise kann Wasser W als Kühlmedium eingesetzt werden. Das Ventil 418 kann genauso angeordnet werden, wie es im Zusammenhang mit dem Ventil 418 der 1 erläutert wurde. Ferner kann das Ventil 418 auch an den Stellen angeordnet sein, wie es im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurde. Die elektrische Antriebsmaschine 530 und der Stromrichter 600 verfügen hier über getrennte Kühlmittelzuleitungen und getrennte Kühlmittelableitungen. Ferner ist der Inwerter 600 hier über drei entsprechend geschirmte elektrische Leitungen mit der elektrischen Antriebsmaschine verbunden. Weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie sie beispielsweise in der 1 gezeigt sind, wurden hier vereinfachend weggelassen.
Die 10 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den Ausführungsformen gemäß der 9 erläutert. In dieser Ausgestaltung verfügt die Strömungsmaschine 500 über einen Anbaustromrichter 600. Die elektrische Antriebsmaschine 530 und der Anbaustromrichter 600 weisen einen gemeinsamen Kühlkreislauf mit einer gemeinsamen Kühlmittelzuleitung und einer gemeinsamen Kühlmittelableitung auf. Als Kühlmittel wird wiederum Wasser W verwendet. Der Wärmetauscher 422 wurde hier ersetzt durch einen in die Strömungsmaschine 500 integrierten Wärmetauscher 622. Der integrierte Wärmetauscher 622 kann beispielsweise im Anbaustromrichter 600 und/oder in der elektrischen Antriebsmaschine 530 aufgenommen sein. Insbesondere kann dieser
Wärmetauscher den hier offenbarten Kühlflüssigkeitskanal und/oder Lagerluftkühlkanal aufweisen. Ebenso kann das Ventil 418 in den Anbaustromrichter 600 integriert sein. Dies muss aber nicht so sein.
Die hier offenbarten Aspekte, insbesondere hinsichtlich

i) den hier offenbarten Strömungsmaschinen-Zuströmungspfad 417;
ii) des hier offenbarten Verdichterabzweig 531
iii) der hier offenbarten besonderen Ausgestaltung vom Axial-Luftlager mit der Scheibe 546 oder alternativ von den Laufradrückseiten mit ausgebildete Scheibe sowie deren jeweils spezifische Anströmung;
iv) des hier offenbarten Verfahrens zur Lagerluftkühlung abhängig von der Temperatur;
v) die hier offenbarte Lagerluftführung, insbesondere im Innenbereich I₁, I₂;
vi) den hier offenbarten Kühlflüssigkeitskanal 537 und den hier offenbarten Lagerluftkühlkanal 538;
vii) des hier offenbarten Druckteilers 567, 568 und die damit verbundene Kompensation von Axialkräften; sind jeweils funktional unabhängig voneinander. Gleichwohl stellt deren Kombination eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar.

Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. das/ein Verdichterrad, das/ein Gehäuse, die/eine Welle, das/ein Axial-Luftlager, die/eine Vorderseite, die/eine Rückseite, das/ein Turbinenrad, der/ein luftumströmter Luftspalt, der/ein Gehäuseabschnitt, der/ein Innenbereich, das/eine Luftlager, der/ein Ladeluftkühler, die/eine Einrichtung zur Befeuchtung, der/ein elektrischer Antrieb, die/eine Volute, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. das mindestens ein Verdichterrad, das mindestens ein Gehäuse, die mindestens eine Welle, das mindestens eine Axial-Luftlager, die mindestens eine Vorderseite, die mindestens eine Rückseite, das mindestens eine Turbinenrad, der mindestens eine luftumströmte Luftspalt, der mindestens eine Gehäuseabschnitt, der mindestens ein Innenbereich, das mindestens eine Luftlager, der mindestens eine Ladeluftkühler, die mindestens eine Einrichtung zur Befeuchtung, der mindestens eine elektrischer Antrieb, die mindestens eine Volute, etc.)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017211917 [0049]

Claims

Strömungsmaschine (500) für ein Kraftfahrzeug, umfassend: - mindestens ein Luftlager zur Lagerung einer Welle (540); - mindestens einen Kühlflüssigkeitskanal (537) zur Kühlung der Strömungsmaschine (500); und - mindestens einen Lagerluftkühlkanal (538); wobei durch den Lagerluftkühlkanal (538) Luft zur Kühlung des mindestens einen Luftlagers geführt ist; und wobei der Lagerluftkühlkanal (538) zumindest bereichsweise unmittelbar benachbart zum Kühlflüssigkeitskanal (537) angeordnet ist.
Strömungsmaschine (500) nach Anspruch 1, wobei der Kühlflüssigkeitskanal (537) eingerichtet ist, eine elektrische Antriebsmaschine (530) und/oder dessen elektrische Komponenten (700) zur Drehzahlstellung zumindest teilweise zu kühlen.
Strömungsmaschine (500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlflüssigkeitskanal (537) in und/oder an einem Gehäuse der Strömungsmaschine (500) vorgesehen ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kühlflüssigkeitskanal (537) und der Lagerluftkühlkanal (538) in oder an einem Stator (532, 534) der elektrischen Antriebsmaschine (530) angeordnet sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 4, wobei der Kühlflüssigkeitskanal (537) und der Lagerluftkühlkanal (538) den Stator (532, 534) zumindest bereichsweise umgeben.
Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Verdichterabzweig (531) von einem verdichterseitigen Laufradgehäuse (516) abzweigt und in den Lagerluftkühlkanal (538) mündet.
Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Scheibe (546) eines Axial-Luftlagers mit der Welle (540) zwischen zwei Laufrädern (512, 522) drehfest verbunden ist; wobei ein Scheibenzuströmpfad (539) fluidverbunden ist mit dem Lagerluftkühlkanal (538); und wobei Luft im Umfangsbereich der Scheibe (546) derart mündet, dass die Luft sich dort in zwei Teilströmungspfade aufteilt.
Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Ventil (418) zur Veränderung der dem Luftlager bereitgestellten Luftmenge.
Strömungsmaschine nach Anspruch 8, wobei das Ventil (418) eingerichtet ist, die zur Kühlung vom Luftlager bereitgestellte Luftmenge auch unabhängig von der Drehzahl vom Laufrad (512, 522) zu variieren.
Strömungsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend mindestens ein Steuergerät; wobei das Steuergerät eingerichtet ist, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, mindestens einen Wert zu erfassen, der indikativ ist für die Temperatur von dem mindestens einen Luftlager; und wobei das Steuergerät eingerichtet ist, die dem Luftlager bereitgestellten Luftmenge basierend auf den erfassten Wert zu anzupassen.