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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zum Fördern und/oder Verdichten von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
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Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Nachdem das Gas durch die Brennstoffzelle geströmt ist wird es über eine Rückführleitung zurück zur Ejektoreinheit geführt. Dabei kann der Seitenkanalverdichter zwischengeschaltet werden, der die Gasrückführung strömungstechnisch und effizienztechnisch unterstützt. Zudem werden Seitenkanalverdichter zur Unterstützung des Strömungsaufbaus im Brennstoffzellenantrieb eingesetzt, insbesondere bei einem (Kalt)-Start des Fahrzeugs nach einer gewissen Standzeit. Das Antreiben dieser Seitenkanalverdichter erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden.
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Aus der
DE 10 2007 053 016 A1 ist ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium gefördert und/oder verdichtet wird. Der Seitenkanalverdichter weist ein in einem Gehäuse umlaufendes Verdichterrad auf, das auf einer Antriebswelle befestigt ist und von einem Antrieb in Rotation versetzt wird. Das Verdichterrad weist dabei einen inneren Begrenzungsring auf, der umlaufend um eine Drehachse verläuft. Auf diesem Verdichterrad befinden sich im Bereich eines Verdichterraums Schaufelblätter zwischen denen jeweils Förderzellen ausgebildet sind. Die Schaufelblätter wirken mit einem ringförmig ausgebildeten um die Drehachse umlaufenden Seitenkanal zusammen. Die Schaufelblätter sind dabei eben ausgebildet und eine Schaufelblatt-Kontur verläuft plan in Richtung der Drehachse. Bei einer Drehung des Verdichterrads im Gehäuse bildet sich zwischen dem Schaufelblatt und dem Seitenkanal eine Zirkulationsströmung aus, durch die eine Energieeinleitung vom Verdichterrad ins gasförmige Medium erfolgt. Das gasförmige Medium strömt dabei axial in Richtung der Drehachse in den inneren, dem inneren Begrenzungsring zugewandten, Bereich der Förderzelle ein und tritt axial in Richtung der Drehachse im Bereich der äußeren, dem inneren Begrenzungsring abgewandten, Bereich der Förderzelle wieder aus. Beim Durchströmen der Förderzelle des Schaufelblattes erfährt das gasförmige Medium eine Dralländerung durch die im umlaufenden Seitenkanal ein Druckanstieg bewirkt wird.
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Der aus der
DE 10 2007 053 016 A1 bekannte Seitenkanalverdichter kann gewisse Nachteile aufweisen. Bei der Ausbildung der Förderzelle mit zu einer Strömungsrichtung rechtwinklig angeordneten Schaufelblätter, die insbesondere eine in Richtung der Drehachse verlaufende plane Kontur aufweisen, liegen ungünstige Strömungsverhältnisse vor. Dieser Nachteil tritt bei der Förderung des gasförmigen Mediums auf, insbesondere beim Einströmen und beim Ausströmen des gasförmigen Mediums in die Förderzelle, wobei insbesondere der mit diesem Seitenkanalverdichter erzielbare Förderdruck und der Wirkungsgrad niedrig sind. Weiterhin bietet der aus der
DE 10 2007 053 016 A1 bekannte Seitenkanalverdichter die Nachteile, dass bei einer Rotation des Verdichterrades um die Drehachse im Gehäuse beim Betrieb des Seitenkanalverdichters, wobei die Rotation des Verdichterrads durch den Antrieb bewirkt wird, eine Relativbewegung und Relativgeschwindigkeit zwischen einer Oberfläche des Gehäuse und einer Oberfäche des im Gehäuse befindlichen Verdichterrades entsteht. Durch die Rotation des Verdichterrades wird ein sich in dem Seitenkanalverdichter befindliches Medium in Bewegung gesetzt, durch den Seitenkanalverdichter gefördert und idealerweise verdichtet. Dabei kann die Oberfläche des stillstehenden Gehäuses eine Abbremsung der Strömung des gasförmigen Mediums, insbesondere der Zirkulationsströmung, bewirken und es kommt zu einer erhöhten Reibung zwischen dem Gehäuse und dem gasförmigen Medium, insbesondere in einem radial zur Drehachse vom Verdichterrad nach außen strömenden gasförmigen Medium. Dieser Effekt wird zudem durch Fliehkrafteffekte aufgrund der Maße des gasförmigen Mediums verstärkt, da bei einer Rotation des Verdichterrades ein gefördertes gasförmiges Medium durch die Fliehkraft immer verstärkt radial in Richtung der Drehachse nach außen drängt, als dass es axial zur Drehachse strömt. Aufgrund der erhöhten Reibung zwischen dem gasförmigen Medium und dem Gehäuse, insbesondere radial zur Drehachse, wird die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums reduziert und die Temperatur des gasförmigen Mediums kann sich durch dieses Reibung erhöhen, was wiederum einer optimalen Verdichtung entgegenwirkt. Weiterhin führt dieser Effekt zu einem verminderten Förderdruck und einem reduzierten Wirkungsgrad.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, zum Fördern und/oder Verdichten von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff.
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist der Seitenkanalverdichters derart ausgebildet, dass ein Verdichterrad an seinem Umfang einen umlaufenden äußeren Begrenzungsring aufweist, der rotationssymetrisch zu einer Drehachse um ein Verdichterrad verläuft. Auf diese Weise können Leckageströme, die vom Verdichterrad radial von Drehachse nach außen verlaufen, verhindert werden. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters in Form des am Umfang des Verdichterrads umlaufenden äußeren Begrenzungsrings verhindert werden, dass das gasförmige Medium radial zur Drehachse vom Verdichterrad zu einem Gehäuse wegströmt und somit wird nun der Kontakt des gasförmigen Mediums mit dem Gehäuse in dieser Richtung verhindert. Dies bietet die Vorteile, dass eine optimale Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums beibehalten werden kann, die Temperatur des gasförmigen Mediums nicht erhöht wird und ein optimaler Förderdruck beibehalten wird. Dadurch lässt sich eine verbesserte Förderung und Verdichtung des gasförmigen Mediums im Seitenkanalverdichter erzielen und der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters kann erhöht werden. Schlussendlich wird ein Antrieb, insbesondere ein elektrischer Antrieb, weniger Energie, insbesondere aus dem System des Fahrzeugs, im Verhältnis zur geförderten Menge des gasförmigen Mediums benötigen. Auch lässt sich die Lärmbelastung aus dem Betrieb des Seitenkanalverdichters reduzieren.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Pumpe möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bildet das Verdichterrad im Bereich eines Verdichterraums zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufelblättern jeweils eine Förderzelle aus. Diese Förderzelle ist radial zur Drehachse nach außen durch den äußeren Begrenzungsring und nach innen durch einen umlaufenden innerer Begrenzungsring des Verdichterrades begrenzt. Dabei weist die Förderzelle in Richtung der Drehachse mindestens eine Öffnung auf. Der äußere Begrenzungsring und der innerer Begrenzungsring verlaufen dabei rotationssymetrisch zur Drehachse. Des Weiteren ist die mindestens eine Öffnung auf der dem mindestens einen Seitenkanal des Gehäuses zugewandten Seite der Förderzelle des Verdichterrades ausgebildet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Strömung des gasförmigen Mediums, insbesondere eine Zirkulationsströmung, nur axial zur Drehachse zur und von der Förderzelle strömt und sich somit nur eine axiale Bewegung des gasförmigen Mediums zwischen dem mindestens einen Seitenkanal und der Förderzelle einstellt. Dies bietet den Vorteil, dass sich eine Strömung des gasförmigen Mediums nur in dem Bereich einstellt, in dem Sie erwünscht ist, nämlich zwischen dem Seitenkanalverdichter und der Förderzelle. Reibungsverluste aufgrund einer Reibung des Mediums mit anderen Bereichen des Seitenkanalverdichters, die keine verbesserte Förderung und Verdichtung des gasförmigen Mediums bewirken, können weitestgehend reduziert und/oder vermieden werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöhen lässt. Auch kommt es zu keiner unerwünschten Temperaturerhöhung des gasförmigen Mediums aufgrund unerwünschter Reibung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen mindestens zwei Schaufelblätter eine erste im Querschnitt spitz zulaufende Führungskontur auf der der Drehachse zugewandten Seite des äußeren Begrenzungsrings und/oder eine zweite im Querschnitt spitz zulaufende Führungskontur auf der der Drehachse abgewandten Seite des inneren Begrenzungsrings auf. Dabei verläuft die erste Symetrieachse durch die jeweilige Spitze der beiden Führungskonturen. Auf diese Weise kann das von dem mindestens einen Seitenkanal axial zur Drehachse durch die mindestens eine Öffnung in die Förderzelle einströmende gasförmige Medium besser in die gewünschte Richtung und in den gewünschten Zustand der Zirkulationsströmung versetzt werden, wodurch die Förderwirkung des Seitenkanalverdichters verbessert werden kann. Dadurch wird der Förderdruck im Verdichterraum erhöht und der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters kann verbessert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen mindestens zwei Schaufelblätter jeweils eine V-förmige Kontur auf. Dabei verläuft die V-förmige Kontur zwischen zwei Öffnungen in Richtung der Drehachse. Dabei ist die geöffnete Seite der symetrischen V-förmigen Kontur in einer Drehrichtung des gerichtet. Auf diese Weise kann der erzielbare Förderdruck erhöht werden und der strömungstechnische Wirkungsgrad des Verdichterrades im Bereich der Förderzelle kann durch die V-förmige Kontur verbessert werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöht werden kann. Dies ist dadurch möglich, dass aufgrund der im Bereich der mindestens einen Öffnung der Förderzelle das Ende oder die Enden der Schaufelblätter in Drehrichtung nach vorne geneigt und/oder vorauseilend angeordnet sind. Dadurch lässt sich eine verbessertes Strömungsverhältniss erzielen, da durch dieses zu den Schaufelblättern etwa paralleles Einströmen des geförderten gasförmigen Mediums in die Förderzelle erreicht werden kann, was strömungstechnische Vorteile bietet. Des Weiteren kann eine verbesserter Zirkulationsströmungsverlauf durch eine derartige V-förmige Kontur der Schaufelblätter erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf den der Drehrichtung abgewandten Rückseiten der mindestens zwei Schaufelblätter jeweils mindestens eine Fase ausgebildet. Dabei verläuft die Fase insbesondere auf dem der mindestens einen Öffnung zugewandten Ende des jeweiligen Schaufelblatts. Auf diese Weise wird ein verbessertes Strömungsverhalten der Zirkulationsströmung im Betrieb des Seitenkanals erzielt, insbesondere während der Rotation des Verdichterrades und einer relativen Bewegung der Förderzellen und der V-förmigen Schaufelblätter zum mindestens einen Seitenkanal. Des Weiteren wird durch die mindestens eine Fase verhindert, dass eine Abreißen der Strömung an der entgegen der Drehrichtung des Verdichterrades weisenden Rückseiten der mindestens zwei Schaufelblätter auftritt, wodurch eine damit verbundene und für die Zirkulationsströmung nachteilige Wirbelbildung verhindert wird. Dadurch kann eine Effizienzsteigerung der Zirkulationsströmung erreicht werden, die für die Effizienz der Energieübertragung zwischen den Schaufelblättern des Verdichterrades und dem mindestens einen umlaufenden Seitenkanal ursächlich ist.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verdichterrad am äußeren Begrenzungsring mindestens einen außenliegenden umlaufenden Ringbund auf, der insbesondere radial zur Drehachse verläuft. Dabei verläuft der außenliegende Ringbund auf der der Drehachse abgewandten Seite des äußeren Begrenzungsrings. Des Weiteren steht der mindestens eine außenliegende umlaufende Ringbund axial und/oder radial zur Drehachse mit einem Gehäuse-Oberteil und/oder einem Gehäuse-Unterteil in Anlage. Auf diese Weise kann zum einen der Vorteil erzielt werden, dass eine Kapselung des mindestens einen Seitenkanals und/oder der Förderzelle zu einem äußeren Bereich insbesondere im Gehäuse erfolgt. Zum anderen kann der Vorteil erzielt werden, dass durch den mindestens einen außenliegenden umlaufenden Ringbund, der axial und/oder radial zur ersten Symetrieachse mit dem Gehäuse-Oberteil und/oder dem Gehäuse-Unterteil in Anlage steht, eine verbesserte Führung des Verdichterrades im Gehäuse erfolgt. Weiterhin wird dadurch erreicht, dass sich weniger Längs- und Querkräfte während des Seitenkanalverdichterbetriebs einstellen und sich somit weniger schädliche Impulskräfte, wie beispielsweise Schläge auf das Verdichterrad, das Gehäuse, die Lager und den Antrieb einstellen. Dadurch kann die Lebensdauer des gesamten Seitenkanalverdichters erhöht werden. Weiterhin können Geräuschemissionen aus dem Betrieb des Seitenkanalverdichters aufgrund der verbesserten Führung des Verdichterrades mittels des außenliegenden umlaufenden Ringbundes verbessert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verdichterrad am inneren Begrenzungsring mindestens einen innenliegenden umlaufenden Ringbund auf, der insbesondere radial zur Drehachse verläuft und der auf der der Drehachse zugewandten Seite des inneren Begrenzungsrings verläuft. Weiterhin steht der mindestens eine innenliegende Ringbund axial und/oder radial zur Drehachse mit dem Gehäuse-Oberteil und/oder dem Gehäuse-Unterteil in Anlage. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das Verdichterrades im Gehäuse besser geführt wird. Weiterhin werden sich dadurch weniger Längs- und Querkräfte während des Seitenkanalverdichterbetriebs einstellen und somit weniger schädliche Impulskräfte, wie beispielsweise Schläge auf das Verdichterrad, das Gehäuse, die Lager und den Antrieb einstellen. Dadurch kann die Lebensdauer des gesamten Seitenkanalverdichters erhöht werden. Weiterhin können Geräuschemissionen aus dem Betrieb des Seitenkanalverdichters aufgrund der verbesserten Führung des Verdichterrades mittels des außenliegenden umlaufenden Ringbundes verbessert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet sich auf der der Drehachse abgewandten Seite des umlaufenden äußeren Begrenzungsrings ein zumindest teilweise gekapselter Abscheideraum aus, wobei sich der Abscheideraum inbesondere radial zur Drehachse zwischen dem äußeren Begrenzungsring und dem Gehäuse-Oberteil und/oder dem Gehäuse-Unterteil befindet und zumindest teilweise umlaufend um die Drehachse zwischen dem Gehäuse und dem äußeren Begrenzungsring verläuft. Auf diese Weise ist es möglich, dass bei einer Bildung von schweren Bestandteilen im gasförmigen Medium, wobei es sich bei den schweren Bestandteilen insbesondere um flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf und/oder Stickstoff handelt, diese aus dem Bereich der Förderzelle und/oder dem mindestens einen Seitenkanal in den Abscheideraum abgeführt werden können. Die Abführung des schweren Bestandteils oder der schweren Bestandteile erfolgt dabei über die durch die Rotation des Verdichterrades auf das gasförmige Medium ausgeübte Fliehkraft, durch die sich die schweren Bestandteile aus dem Bereich des mindestens einen Seitenkanals in einer Abführrichtung von der Drehachse weg zwischen dem Gehäuse und dem außenliegenden umlaufenden Ringbund hindurchbewegt zum gekapselten Abscheideraum. Dadurch können die schweren Bestandteile aus dem Bereich des mindestens einen Seitenkanals und/oder der Förderzelle herausgeführt werden. Dadurch lassen sich die Vorteile erzielen, dass eine Schädigung, insbesondere durch Korrosion, der Oberflächen des Seitenkanals und/oder der Förderzelle durch die schweren Bestandteile verhindert wird, was zu einer erhöhten Lebensdauer des gesamten Seitenkanalverdichters führt. Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters den Vorteil, dass die Effizienz und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann, da zum einen die unerwünschten schweren Bestandteile, bei denen es sich insbesondere nicht um Wasserstoff handelt und die nicht zur Energieerzeugung im Brennstoffzellensystems beitragen, aus dem System herausgeführt werden. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems steigern. Weiterhin lässt sich die Effizienz und der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters steigern, da die schweren Bestandteile, insbesondere flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf und/oder Stickstoff, einen höheren Energieaufwand beim Fördern und/oder Verdichten durch den Seitenkanalverdichter bedeuten, insbesondere im Vergleich zu Wasserstoff, insbesondere beim Starten des Seitenkanalverdichters. Weiterhin wird der Vorteil erzielt, dass durch das Herausleiten der schweren Bestandteile, wie flüssigem Wasser, insbesondere aus dem Bereich des Verdichterraums, verhindert wird, dass sich im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellensystems und bei niedrigen Umgebungstemperaturen sogenannte Eisbrücken zwischen den beweglichen Teilen, insbesondere dem Verdichterrad und dem Gehäuse, bilden. Derartige Eisbrücken würden ein ein Starten des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Seitenkanalverdichters erschweren oder vollständig verhindern. Somit kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters eine Schädigung der rotierenden Teile des Seitenkanalverdichters und/oder eines Antriebs, insbesondere eines elektrischen Antriebs, aufgrund von Eisbrückenbildung, verhindert werden. Dies führt zu einer höheren Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems und/oder des Fahrzeugs. Ein weiterer Vorteil gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters ist ein kontinuierliches Herausleiten des schweren Bestandteils Stickstoff, insbesondere aus dem Bereich des Verdichterraums in den Abscheideraum, ein ansonsten notwendiges Purgeventil im Brennstoffzellensystem nicht mehr benötigt wird. Diese Funktion würde ein Ablassen von Stickstoff mittels dieses Purgeventils aus dem Brennstoffzellensystem umfassen, bei dem auch bei Betätigung ein Anteil Wasserstoff verloren geht, was nachteilig für den Betrieb des Brennstoffzellensystems ist und den Wasserstoffverbrauch des Brennstoffzellensystems erhöht. Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters und dem kontinuierlichen Herausleiten des schweren Bestandteils Stickstoff ein Verlust von Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem verhindert werden und somit der Wasserstoffverbrauch reduziert werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich auf der der Drehachse abgewandten Seite des gekapselten Abscheideraums im Gehäuse-Oberteil und/oder im Gehäuse-Unterteil und/oder zwischen dem Gehäuse-Oberteil und dem Gehäuse-Unterteil ein Abführungs-Kanal. Der Abführungs-Kanal befindet sich dabei am tiefsten Punkt im Gehäuse-Oberteil und/oder im Gehäuse-Unterteil und/oder zwischen dem Gehäuse-Oberteil und dem Gehäuse-Unterteil, insbesondere in Wirkrichtung der Schwerkraft. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die schweren Bestandteile, die aus dem Verdichterraum des Seitenkanalverdichters in den Abscheideraum abgeführt wurden, weiter heraus aus dem Gehäuse des Seitenkanalverdichters und dem Brennstoffzellensystem abgeführt werden, wodurch verhindert wird, dass ein Nachströmen der schweren Bestandteile in den Abscheideraum verhindert wird, da das Volumen des Abscheideraum vollständig gefüllt ist, was wiederum verhindern würde, dass weiterhin die schweren Bestandteile aus dem Verdichterraum abgeführt werden können. Dies bietet den Vorteil, dass eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Seitenkanalverdichters und/oder des Brennstoffzellensystems über die gesamte Lebensdauer beibehalten werden kann.
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Durch die Ausbildung des Abführungs-Kanals am tiefsten Punkt im Gehäuse-Oberteil und/oder im Gehäuse-Unterteil und/oder zwischen dem Gehäuse-Oberteil und dem Gehäuse-Unterteil lässt sich der Vorteil erzielen, dass die schweren Bestandteile ohne weiteren Energieaufwand, insbesondere ohne weiteren Energieaufwand des Antriebs, aus dem Seitenkanalverdichter durch die Schwerkraft abgeführt werden können. Dies bietet den Vorteil, dass sich eine Erhöhung der Lebensdauer und des Wirkungsgrads des Seitenkanalverdichters ohne weiteren Energieaufwand und somit Betriebskosten erzielen lässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der der Drehachse zugewandten Seite des inneren Begrenzungsrings mindestens eine zumindest teilweise gekapselte Region ausgebildet, wobei sich die mindestens eine gekapselte Region inbesondere zwischen dem mindestens einen innenliegenden Ringbund und dem Gehäuse-Oberteil und/oder dem Gehäuse-Unterteil befindet. Auf diese Weise wird verhindert, dass entweder Wasserstoff oder die schweren Bestandteile aus dem Bereich des Verdichterraums in die innenliegende gekapselte Region des Seitenkanalverdichters vordringen, in dem sich Bauteile befinden, die durch Wasserstoff und/oder die schweren Bestandteile geschädigt werden können. Somit kann beispielsweise die Lebensdauer der Lager einer Antriebswelle erhöht werden, da eine Schädigung, insbesondere durch Korrosion durch Kontakt mit Wasser, durch die Kapselung der innenliegenden Region verhindert wird. Des Weiteren wird ein elektrischer Kurzschluss durch Flüssigkeitseintrag in die elektrischen Bauteile verhindert, da sich alle elektrischen Bauteile, wie beispielsweise der Antrieb in der innenliegenden gekapselten Region des Seitenkanalverdichters befinden und somit gegen Flüssigkeit geschützt sind. Dadurch wird die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters reduziert und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems kann erhöht werden.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters,
- 2 einen in 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdichters in vergrößerter Darstellung,
- 3 eine Seitenansicht eines geschlossenen Verdichterrades mit V-förmigen Schaufelblättern und Förderzellen,
- 4 einen in 3 mit B-B bezeichneten Schnitt des Verdichterrades und der Förderzelle mit einer ersten spitz zulaufenden Führungskontur und einer zweiten spitz zulaufenden Führungskontur
- 5 einen in 3 mit C-C bezeichneten Schnitt des Verdichterrades und der Förderzellen mit einer Darstellung einer Schaufelblattgeometrie und einer Zirkulationsströmung in einem Seitenkanal,
- 6 einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines Verdichterraums
- 7 einen in 6 mit III bezeichneten Ausschnitt des gekapselten Abscheideraums.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Längsschnitt durch einen rotationssymmetrisch zu einer Drehachse 4 ausgebildeten erfindungsgemäß vorgeschlagene Seitenkanalverdichter 1 zu entnehmen.
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Der Seitenkanalverdichter 1 weist dabei ein Verdichterrad 2 auf, das insbesondere als geschlossenes scheibenartiges Verdichterrad 2 ausgebildet ist und um die horizontal verlaufenden Drehachse 4 drehbar in einem Gehäuse 3 gelagert ist. Dabei dient ein Antrieb 6, insbesondere ein elektrischer Antrieb 6, als Drehantrieb des Verdichterrades 2. Das Gehäuse 3 umfasst ein Gehäuse-Oberteil 7 und ein Gehäuse-Unterteil 8, die miteinander verbunden sind, wobei zwischen dem Gehäuse-Oberteil 7 und dem Gehäuse-Unterteil 8 ein um die Drehachse 4 umlaufendes erstes Dichtelement 29, insbesondere ein O-Ring, angeordnet ist. Das erste Dichtelement 29 bewirkt dabei eine Kapselung des Innenraums, insbesondere eines Verdichterraums 30 des Seitenkanalverdichters 1. Das Verdichterrad 2 ist drehfest auf einer Antriebswelle 9 angeordnet und wird vom Gehäuse-Oberteil 7 und dem Gehäuse-Unterteil 8 umschlossen. Das Verdichterrad 2 weist eine innere Verdichterrad-Nabe 10 auf, wobei die Verdichterrad-Nabe 10 eine Aussparung aufweist, durch die die Antriebswelle 9 gesteckt ist und wobei die Verdichterrad-Nabe 10 insbesondere mittels eines Pressverbands mit der Antriebswelle 9 verbunden ist. Die Verdichterrad-Nabe 10 ist zudem umlaufend auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite durch einen Naben-Fuß 12 begrenzt. Vom Naben-Fuß 12 nach außen von der Drehachse 4 weg bildet das Verdichterrad 2 eine umlaufende kreisförmige Naben-Scheibe 13 aus. Des Weiteren bildet das Verdichterrad 2 eine sich außenseitig an die Naben-Scheibe 13 anschliessende Förderzelle 28 aus. Diese Förderzelle 28 des Verdichterrades 2 verläuft umlaufend um die Drehachse 4 in dem umlaufenden Verdichterraum 30 des Gehäuses 3, wobei das Verdichterrad 2 und/oder die Förderzelle 28 am jeweiligen außenliegenden Umfang einen umlaufenden äußeren Begrenzungsring 11 aufweist, wobei insbesondere der äußere Begrenzungsring 11 die Förderzelle 28 an Ihrem äußeren um die Drehachse 4 umlaufenden Außendurchmesser begrenzt.
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Des Weiteren weist das Gehäuse 3, insbesondere das Gehäuse-Oberteil 7 und/oder das Gehäuse-Unterteil 8 im Bereich des Verdichterraums 30 mindestens einen umlaufenden Seitenkanal 19 auf. Dabei verläuft der Seitenkanal 19 derart im Gehäuse 3 in Richtung der Drehachse 4, dass dieser axial zur Förderzelle 28 einseitig oder beidseitig verläuft. Der Seitenkanal 19 kann dabei zumindest in einem Teilbereich des Gehäuses 3 umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen, wobei in dem Teilbereich, in dem der Seitenkanal 19 im Gehäuse 3 nicht ausgebildet ist, ein Unterbrecher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist (siehe 2).
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Die Antriebswelle 9 ist mit einem Ende axial zur Drehachse 4 zumindest kardanisch mit dem Antrieb 6 verbunden. Dabei befindet sich ein Lager 27 am Außendurchmesser der Antriebswelle 9 axial im Bereich zwischen dem Antrieb 6 und dem Verdichterrad 2, insbesondere zwischen dem Antrieb 6 und dem Naben-Fuß 12 des Verdichterrads 2. Die Antriebswelle 9 bildet einen Lager-Zapfen 36 axial zur Drehachse 4 auf Ihrer dem Antrieb 6 abgewandten Seite aus, wobei sich im Bereich des Lager-Zapfens 36 ein weiteres Lager 27 befindet. In einer möglichen Ausführungsform weist die Antriebswelle 9 Absätze auf, die in axialer Richtung zu beiden Wellen-Enden hin verlaufen, ausgehend von Ihrem Außendurchmesser-Bereich, auf den das Verdichterrad 2 aufgebracht ist. Im Bereich zwischen dem jeweiligen Absatz und dem jeweiligen Wellenende ist der Durchmesser des Antriebswelle 9 insbesondere verkleinert, im Vergleich zum größeren Wellendurchmesser-Bereich, in dem die Antriebswelle 9 mit dem Verdichterrad 2 verbunden ist. Bei den Lagern 27 kann es sich um Wälzlager 27 handeln, insbesondere um Kugellager 27.
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Der Antrieb 6 kann an seiner Oberfläche Kühlrippen 33 aufweisen, die eine verbesserte Abführung der Wärmeenergie in die Umgebung bewirken. Wärme tritt im Antrieb 6 derart auf, dass durch das Antreiben des Verdichterrads 2 überschüssige Wärmeenergie entsteht, die insbesondere als Reibungswärme oder induktiv magnetische Wärme vorliegt. Diese Wärme kann aufgrund der Kühlrippen 33 des Antriebs 6 schneller an die Umgebung abgeführt werden, da der Antrieb durch die Kühlrippen eine vergrößerte Oberfläche aufweist. Der Antrieb 6 ist mit dem Gehäuse 3 des Seitenkanalverdichters 1 verbunden, insbesondere mit dem Gehäuse-Oberteil 7, indem der Antrieb 6 mit mindestens einer Stirnfläche an einer Stirnfläche des Gehäuses 3 axial zur Drehachse 4 anliegt. Dabei ist der Antrieb 6 bei der Montage an das Gehäuse 3 derart zentriert, dass ein Außendurchmesser-Bereich des Antriebs 6 an einen Innendurchmesser-Bereich des Gehäuses 3 anliegt, insbesondere radial zur Drehachse 4. Zwischen dem Außendurchmesser-Bereich des Antriebs 6 und dem Innendurchmesser-Bereich des Gehäuses 3 kann ein zweites umlaufendes Dichtelement 31, insbesondere ein O-Ring, angebracht sein, der eine Kapselung des Innenraums des Seitenkanalverdichters 1 und/oder des Antriebs 6 bewirkt, insbesondere gegen Kontamination oder Feuchtigkeit von außen.
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Das Gehäuse 3 bildet zudem eine erste Seitenwand 18 und eine zweite Seitenwand 25 aus, zwischen denen sich axial zur Drehachse 4 die Naben-Scheibe 13 des Verdichterrads 2 befindet. Dabei befindet sich insbesondere die erste Seitenwand 18 im Gehäuse-Oberteil 7 und die zweite Seitenwand 25 befindet sich im Gehäuse-Unterteil 8. Weiterhin bildet das Gehäuse 3, insbesondere das Gehäuse-Unterteil 8, eine Gas-Einlassöffnung 14 und eine Gas-Auslassöffnung 16 aus. Dabei sind die Gas-Einlassöffnung 14 und die Gas-Auslassöffnung 16, insbesondere über den mindestens einen Seitenkanal 19, fluidisch miteinander verbunden.
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Vom Antrieb 6 wird ein Drehmoment über die Verdichterrad-Nabe 10 auf das Verdichterrad 2 übertragen. Dabei wird das Verdichterrad 2 in Rotationsbewegung versetzt und die Förderzelle 28 bewegt sich in einer Rotationsbewegung umlaufend um die Drehachse 4 durch den Verdichterraum 30 im Gehäuse 3 in Richtung einer Strömungsrichtung 26 (siehe 2). Dabei wird ein schon im Verdichterraum 30 befindliches gasförmiges Medium durch die Förderzelle 28 mitbewegt und dabei gefördert und/oder verdichtet. Zudem findet eine Bewegung des gasförmigen Mediums, insbesondere ein Strömungsaustausch, zwischen der Förderzelle 28 und dem mindestens einen Seitenkanal 19 statt. Des Weiteren strömt das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein unverbrauchte Rezirkulationsmedium aus einer Brennstoffzelle 39 handelt, über die Gas-Einlassöffnung 14 in den Verdichterraum 30 des Seitenkanalverdichters 1 ein und/oder wird dem Seitenkanalverdichter 1 zugeführt und/oder wird aus dem Bereich, der der Gas-Einlassöffnung 14 vorgelagert ist, angesaugt. Dabei wird das gasförmige Medium nach erfolgtem Durchlauf durch die Gas-Auslassöffnung 16 des Seitenkanalverdichters 1 abgeleitet und strömt insbesondere zu einer Strahlpumpe 41 eines Brennstoffzellensystems 37.
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2 zeigt einen in 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdichters 1 in vergrößerter Darstellung bei dem das Gehäuse-Unterteil 8, die Gas-Einlassöffnung 14, die Gas-Auslassöffnung 16, der Unterbrecher-Bereich 15, der Seitenkanal 19, eine Drehrichtung 20 (des nicht dargestellten Verdichterrades 2) und das erste umlaufende Dichtelement 29 dargestellt sind.
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Wie in 2 dargestellt befindet sich der Unterbrecher-Bereich 15 umlaufend um die Drehachse 4 im Gehäuse 3 insbesondere zwischen der Gas-Einlassöffnung 14 und der Gas-Auslassöffnung 16. Das gasförmige Medium wird durch das Verdichterrad 2 gefördert und/oder strömt dabei von der Gas-Einlassöffnung 14 zur Gas-Auslassöffnung 16 und durchströmt dabei, zumindest teilweise, den Seitenkanal 19. Dabei erhöht sich mit fortschreitendem Umlauf von der Gas-Einlassöffnung 14 zur Gas-Auslassöffnung 16 in Drehrichtung 20 die Verdichtung und/oder der Druck und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums in der Förderzelle, insbesondere in der Förderzelle 28 des Verdichterrades 2 und im Seitenkanal 19. Durch den Unterbrecher-Bereich 15 wird eine Trennung einer Druckseite und einer Saugseite bewirkt, wobei sich die Saugseite im Bereich der Gas-Einlassöffnung 14 befindert und die Druckseite im Bereich der Gas-Auslassöffnung 16 befindet.
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In 3 ist eine Seitenansicht des geschlossenen Verdichterrades 2 mit V-förmigen Schaufelblättern 5 und Förderzellen 28 gezeigt. Dabei weist das Verdichterrad 2 einen inneren Begrenzungsring 17 auf, der den Bereich der Förderzellen 28 radial nach innen begrenzt. Zudem weist das Verdichterrad 2 einen umlaufenden äußeren Begrenzungsring 11 auf, der den Bereich der Förderzellen 28 radial nach außen begrenzt. Der innere Begrenzungsring 17 und der äußere Begrenzungsring 11 verlaufen dabei rotationssymetrisch zur Drehachse 4 um das Verdichterrad 2.
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In dem gezeigten Ausführungbeispiel des Seitenkanalverdichters 1 weist das Verdichterrades 2 eine Vielzahl an V-förmigen Schaufelblättern 5 auf, wobei jeweils zwei V-förmigen Schaufelblättern 5 eine Förderzelle 28 in Drehrichtung 20 begrenzen. Die Schaufelblätter 5 weisen dabei im Bereich des inneren Begrenzungsrings 17 eine in Drehrichtung 20 vorauseilende Kontur und im Bereich des äußeren Begrenzungsrings 11 eine in Drehrichtung 20 zurückgenommene Kontur auf.
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4 zeigt einen in 3 mit B-B bezeichneten Schnitt des Verdichterrades 2, insbesondere des V-förmigen Schaufelblattes 5 und der Förderzelle 28 mit einer ersten spitz zulaufenden Führungskontur 38 und einer zweiten spitz zulaufenden Führungskontur 40. Dabei ist dargestellt, dass der äußere Begrenzungsring 11 die erste Führungskontur 38 derart Richtung einer ersten Symetrieachse 22 ausbildet, dass die erste Führungskontur 38 vom äußeren Begrenzungsring 11 zur Drehachse 4 hin gewandt ist. Weiterhin bildet das Verdichterrad 2 die zweite Führungskontur 40 in Richtung der ersten Symetrieachse 22 auf der von der Drehachse 4 abgewandten Seite des inneren Begrenzungsrings 17 aus. Das Verdichterrad 2 bildet die zweite Führungskontur 38 in Richtung der Symetrieachse 22 an der der Drehachse 4 zugewandten Seite des äußeren Begrenzungsrings 11 aus. Beide Führungskonturen 38, 40 laufen dabei im Bereich der ersten Symetrieachse 22 spitz zu. Die erste Symetrieachse 22 verläuft dabei durch die beiden Führungskonturen 38, 40 verläuft und mittig durch die Geometrie des V-förmigen Schaufelblattes 5.
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Das V-förmige Schaufelblatt 5 weist zudem mindestens eine Öffnung 32 der Förderzelle 28 auf, wobei in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel des Seitenkanalverdichters 1 zwei Öffnungen 32a, b gezeigt sind. Dabei weist die Förderzelle 28 die zwei Öffnungen 32a, b radial zur ersten Symetrieachse 22 auf. Des Weiteren ist die Strömungsrichtung 26 des gasförmigen Mediums durch die Förderzelle 28 gezeigt. Dabei strömt das gasförmige Medium, insbesondere aus dem Bereich des Seitenkanals 19, durch die jeweilige Öffnung 32a, b in die Förderzelle 28 ein. Das gasförmige Medium strömt dabei im unteren Bereich auf der dem inneren Begrenzungsring 17 zugewandten Seite der Förderzelle 28 axial zur Drehachse 4 ein auf die zweite Führungskontur 40 zu. Durch die zweite spitz zulaufende Führungskontur 40 wird das gasförmige Medium in Richtung der ersten Symetrieachse 22 zum äußeren Begrenzungsring 11 hin abgelenkt und strömt in Richtung der ersten Symetrieachse 22 aus Richtung des inneren Begrenzungsrings 17 kommend zum äußeren Begrenzungsring 11 hin. Nach Durchstömen eines Teilbereichs des Förderzelle 28 trifft das gasförmige Medium auf die erste spitz zulaufende Führungskontur 38, wobei das gasförmige Medium In Richtung der Öffnung 32a, b hin abgelenkt wird und axial zur Drehachse 4 aus der Förderzelle 28 ausströmt, insbesondere in den Bereich des Seitenkanals 19. Dabei wird das gasförmige Medium in eine Zirkulationsströmung 26 versetzt, die zum einen in der in 4 dargestellten Ebene verläuft, wobei die Ebene insbesondere durch die Drehachse 4 und die erste Symetrieachse 22 definiert ist. Durch die weitere geometrische Ausformung des V-förmigen Schaufelblattes 5 aus der Ebene hinaus und in Drehrichtung 20 und der umlaufenden Bewegung des Verdichterrades 2 um die Drehachse 4 wird das gasförmige Medium jedoch zusätzlich in eine orthogonal zur in 4 dargestellten Ebene in Bewegung versetzt wobei die Zirkulationsströmung 24 in Richtung der Drehachse 4, der ersten Symetrieachse 22 und einer zweiten Symetrieachse 50 (dargestellt in 5) entsteht.
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Durch die V-förmige ausgeführte Kontur des Schaufelblattes 5 kann zudem eine gesteigerte Dralländerung der Strömung des gasförmigen Mediums erzielt werden, wodurch sich der Förder- und Verdichtungseffekt des Seitenkanalverdichters 1 aufgrund der Zirkulationsströmung 24 zwischen dem Seitenkanal 19 und den Schaufelblättern 5 weiter erhöhen lässt und somit der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden kann.
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5 zeigt einen in 3 mit C-C bezeichneten Schnitt des Verdichterrades 2 und der Förderzellen 28, insbesondere der Schaufelblätter 5, mit einer Darstellung einer Schaufelblattgeometrie und der Zirkulationsströmung 24 in dem Seitenkanal 19 und einem Bereich der Förderzelle 28, wobei hier der Verdichterraum 30 in einer Draufsicht dargestellt wird. Dabei ist gezeigt, dass die Schaufelblätter 5 in Drehrichtung 20 jeweils eine symetrische V-förmige Kontur aufweisen, wobei die symetrische V-förmige Kontur der Schaufelblätter 5 zwischen zwei Öffnungen 32a, b in Richtung der Drehachse 4 verläuft und wobei die geöffnete Seite der symetrischen V-förmigen Kontur in die Drehrichtung 20 des Verdichterrads 2 gerichtet ist. Die Symetrie der V-förmigen Kontur der Schaufelblätter 5 wird dabei symetrisch durch die zweite Symetrieachse 50 gespiegelt, wobei die zweite Symetrieachse 50 parallel zur Drehrichtung 20 des Verdichterrades 2 und orthogonal zur Drehachse 4 verläuft. Zudem ist dargestellt, dass der Seitenkanal 19 radial zur zweiten Symetrieachse 50 zum einen durch das Gehäuse-Unterteil 8 begrenzt und zum anderen durch die Öffnung 32a der Förderzelle 28 des Verdichterrads 2 begrenzt ist. Die in der 4 beschriebenen Führungskonturen 38, 40 verlaufen mit Ihrer jeweiligen Spitze auf dieser zweiten Symetrieachse 50, sind jedoch aufgrund der perspektivischen Darstellung der 5 nicht zu sehen/dargestellt.
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Sobald das Verdichterrad 2 mittels des Antriebs 6 aus einer Stillstandsposition in Drehrichtung 20 in Rotationsbewegung versetzt wird, drückt eine jeweilige Stirnseite 21 der Schaufelblätter 5 das sich in der Förderzelle 28 befindliche gasförmige Medium, insbesondere Wasserstoff, in Drehrichtung 20 vom Bereich der Gas-Einlassöffnung 14 zum Bereich der Gas-Auslassöffnung 16, wobei eine Beschleunigung und/oder Verdichtung des gasförmigen Mediums erfolgt. Dabei wird das gasförmige Medium zum einen durch die Stirnseite 21 des jeweiligen Schaufelblattes 5 nach vorne in Richtung der Drehrichtung 20 gedrückt und zum anderen durch die Geometrie der beiden Führungskonturen 38, 40 von der zweiten Symetrieachse 50 weg gedrückt. Dabei wird das gasförmige Medium in Drehrichtung 20 aus der Förderzelle 28 von der zweiten Symetrieachse 50 in den jeweiligen Seitenkanal 19 gedrückt, wobei das gasförmige Medium in die Zirkulationsströmung 24 versetzt wird und wobei das mit einer Geschwindigkeit aus der Förderzelle 28 ausströmende gasförmige Medium im Seitenkanal 19 auf ein langsamer strömendes, insbesondere in Drehrichtung 20 strömendes, gasförmiges Medium trifft. Diese Seitenkanalströmung des Mediums strömt dabei langsamer, insbesondere in Drehrichtung 20, als die Förderzellenströmung des Mediums, insbesondere in Drehrichtung 20, wobei sich aufgrund der resultierenden Zentrifugalkräftedifferenz eine Kraft vom Medium in der Förderzelle 28 auf das Medium im Seitenkanal 19 ergibt. Dabei findet ein Impulsaustausch zwischen den beiden Medien statt und es wird durch das in Zirkluationsströmung 26 versetzte gasförmige Medium Energie durch Impulsaustausch auf einen Förderstrom, wobei es sich insbesondere um das sich im Seitenkanal 19 befindliche stillstehende gasförmige Medium handelt, übertragen. Hierbei erfolgt die Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie. Die Energieübertragung findet dabei auf der gesamten Länge des umlaufenden Seitenkanals 19 mehrfach statt und ist von der Anzahl der Schaufelblätter 5 und Förderzellen 28 abhängig. Somit ist ein großer Energieübertrag zwischen dem in der Förderzelle 28 befindlichen gasförmigen Medium und dem im Seitenkanal 19 befindlichen gasförmigen Medium möglich und ein Druckaufbau erfolgt linear über den Umfang durch Impulsaustausch. Durch den in 4 dargestellten umlaufenden Begrenzungsrung 11 kann dieser Effekt der Energieübertragung und der Seitenkanalverdichtung erhöht werden und der Wirkungsgrad des gesamten Seitenkanalverdichters 1 verbessert werden, da nun verhindert wird, dass ein Großteil des gasförmigen Medium radial zur Drehachse 4 aus den Förderzellen 28 zu einem Teil des Gehäuses 3 abströmt, in dem kein Seitenkanal 19 ausgebildet ist und somit Energie der Zirkulationsströmung 24 verloren geht, da das gasförmige Medium in diesem Bereich nicht im Seitenkanal 19 befindlichen Bereich nur Reibungs- und Wärmeverluste mit dem Gehäuse 3 generiert. Diese Verluste können durch die erfindungsgemäße Ausführung des Seitenkanalverdichters 1 mit dem äußeren Begrenzungsring 11 (siehe 4) komplett verhindert werden, wodurch sich der Wirkungsgrad und die Fördereffizienz des Seitenkanalverdichters 1 steigern lässt.
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Des Weiteren ist gezeigt, dass auf jeweils einer der Drehrichtung 20 abgewandten Rückseite 23 der mindestens zwei Schaufelblätter 5 jeweils mindestens eine Fase 35 ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Fase 35 insbesondere auf dem mindestens einer Öffnung 32a, b zugewandten Ende des jeweiligen Schaufelblatts 5 verläuft. Mittels dieser Fase 35 lassen sich die Stömungseigenschaften des Seitenkanalverdichters 1 verbessern, insbesondere beim Wiedereinströmen des gasförmigen Mediums, welches in die Zirkulationsströmung 24 versetzt wurde, aus dem Seitenkanal 19 zurück in die Förderzelle 28. Beim Wiedereinströmen des gasförmigen Mediums vom Seitenkanal 19 in die Förderzelle kann es beim Vorbeiströmen des gasförmigen Medium an der Rückseite 23 und dem dem Seitenkanal 19 zugewandten Bereichs des Schaufelblatts 5 zu einer Wirbelbildung und/oder einem Strömungsabriss kommen. Dies ist dadurch begründet, dass sich zwischen der Rückseite 23 und dem dem Seitenkanal 19 zugewandten Bereichs des Schaufelblatts 5, bei dem mindestens eine nahezu rechtwinklige Kante ausgebildet ist, die Auftretenswahrscheinlichkeit von Wirbelbildungen und/oder eines Strömungsabrissen des gasförmigen Medium erhöhen, was wiederum zu einem verminderten Wirkungsgrad der Zirkulationsströmung 24 und somit des Seitenkanalverdichters 1 führt. Dies ist dadurch begründet, dass das Medium beim Vorbeiströmen an der nahezu rechtwinkeligen Kante eine zu große Richtungsänderung vollziehen muss, inbesondere im Bereich eines rechten Winkels, wodurch eine Wirbelbildung und/oder ein Strömungsabriss begünstigt wird. Durch die Ausbildung der Fase 35 an der Rückseite 23 des Schaufelblatts 5 wird der Kantenwinkel reduziert und somit auch die notwendige Richtungsänderung des vorbeiströmenden Mediums reduziert, wodurch sich die Effizienz der Zirkulationsströmung 24 und des Seitenkanalverdichters 1 verbessern lässt.
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An der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters 1 mit dem mindestens einen Seitenkanal 19 ist zudem vorteilhaft, dass bei einem Ausfall des Seitenkanalverdichters 1 weiterhin das gasförmige Medium durch den Seitenkanal 19 strömen kann, auch wenn das Verdichterrad 2 stillsteht und somit nicht die Gefahr besteht, dass die Förderung durch das Brennstoffzellensystem 37 aufgrund eines ausgefallenen Seitenkanalverdichters 1 vollständig zum Erliegen führt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein hoher Druck und eine hohe Förderrate des zu fördernden Mediums im Brennstoffzellensystem beibehalten wird, insbesondere durch eine weitere Komponente des Brennstoffzellensystems.
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6 zeigt einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Verdichterraums 30. Dabei ist das Verdichterrad 2 gezeigt, das im Bereich des äußeren Begrenzungsrings 11 mindestens einen außenliegenden umlaufenden Ringbund 48a, b aufweist. Dieser außenliegende Ringbund 48a, b verläuft axial zur ersten Symetrieachse 22 und auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite des äußeren Begrenzungsrings 11. Dabei steht der mindestens eine außenliegende Ringbund 48a, b axial und/oder radial zur ersten Symetrieachse 22 mit dem Gehäuse-Oberteil 7 und/oder dem Gehäuse-Unterteil 8 des Gehäuses 3 in Anlage.
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Des Weiteren weist das Verdichterrad 2 im Bereich des inneren Begrenzungsrings 17 mindestens einen innenliegenden umlaufenden Ringbund 42a, b auf, der insbesondere radial zur Drehachse 4 verläuft und der auf der der Drehachse 4 zugewandten Seite des inneren Begrenzungsrings 17 verläuft. Der mindestens eine innenliegende Ringbund 42a, b steht zudem axial und/oder radial zur ersten Symetrieachse 22 mit dem Gehäuse-Oberteil 7 und/oder dem Gehäuse-Unterteil 8 in Anlage.
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Indem das Verdicherrad mit dem mindestens eine außenliegenden umlaufenden Ringbund 48a, b und dem mindestens einen innenliegenden Ringbund 42a, b mit dem dem Gehäuse-Oberteil 7 und/oder dem Gehäuse-Unterteil 8 in Anlage steht kann eine verbesserte Führung des Verdichterrades 2 im Bereich der Förderzellen 28 erzielt werden bei starken Stößen und Schlägen während des Betriebs des Seitenkanalverdichters 1 beispielsweise aufgrund von Druckspitzen oder auftretendem Staudruck im Brennstoffzellensystem 37. Dadurch kann die Belastung der Lager 27 und/oder des Antriebs 6 reduziert werden, da schon eine Großteil der im Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 auftretenden Stoßkräfte, Axialkräfte und Radialkräfte über die jeweiligen Ringbünde 42a, b, 48a, b in das Gehäuse 3 abgeführt werden kann.
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In 6 ist zudem dargestellt, sich auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite des äußeren Begrenzungsrings 11 ein zumindest teilweise gekapselter Abscheideraum 34 ausbildet, wobei sich der Abscheideraum 34 inbesondere radial zur Drehachse 4 zwischen dem äußeren Begrenzungsring 11 und dem Gehäuse-Oberteil 7 und/oder dem Gehäuse-Unterteil 8 befindet. Weitherhin ist der Abscheideraum 34 zumindest teilweise umlaufend um die Drehachse 4 zwischen dem Gehäuse 3 und dem äußeren Begrenzungsring 11 ausgebildet. Durch die Ausbildung dieses Abscheideraums 34 ist es möglich, dass die schweren Bestandteile aus dem gasförmigen Medium abgeführt werden können und in diesem Abscheideraum 34 gesammelt werden. Die schweren Bestandteile werden somit aus dem Bereich des mindestens einen Seitenkanals 19 und der Förderzelle 28 abgeleitet und im Bereich des Abscheideraums 34 gesammelt. Bei diesen schweren Bestandteilen des gasförmigen Mediums kann es sich beispielsweise um unerwünschte Abfallprodukt und/oder Nebenprodukte aus dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 37 handeln, wie beispielsweise Stickstoff oder Wasser. Durch das Abführen der schweren Bestandteile kann die Förder- und Verdichtungswirkung des Seitenkanalverdichters 1 erhöht werden, da der Anteil des zu fördernden gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, das für die Stomerzeugung in der Brennstoffzelle 39 benötigt wird, in der Förderzelle 28 und dem Seitenkanal 19 erhöht wird. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters 1 erhöhen, da keine für den Betrieb unerwünschten schweren Bestandteile mitgefördert werden müssen.
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Weiterhin ist in 6 dargestellt, dass sich auf der der Drehachse 4 zugewandten Seite des inneren Begrenzungsrings 17 mindestens eine zumindest teilweise gekapselte Region 44a, b ausbildet, wobei sich die mindestens eine gekapselte Region 44a, b zwischen dem mindestens einen innenliegenden umlaufenden Ringbund 42a, b und dem Gehäuse-Oberteil 7 und/oder dem Gehäuse-Unterteil 8 befindet. Vorteilhaft ist dabei, dass durch den mindestens einen Ringbund 42a, b verhindert wird, dass sich das gasförmige Medium aus den Bereichen Seitenkanal 19, Förderzelle 28 und Abscheideraum 34 in die gekapselte Region 44a, b eindringt. Dadurch wird weiterhin verhindert, dass die Bauteile Antrieb 6 und/oder Lager 27 und/oder Antriebswelle 9, die sich in der gekapselten Region 44 befinden, beschädigt werden. Im Falle des elektrischen Antriebs 6 kann eine Eindringen des schweren Bestandsteils Wasser oder von Wasserstoff zu einem Kurzschluss führen und/oder zu einer Schädigung der elektrische oder weichmagnetischen Bauteile des Antriebs 6 führen. Dies kann den Betrieb gesamten Seitenkanalverdichters 1 einschränken und sogar zu einem Ausfall führen.
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7 zeigt einen in 6 mit III bezeichneten Ausschnitt des gekapselten Abscheideraums 34. Dabei ist dargestellt auf welchen Weg und auf welche Weise die schweren Bestandteile des gasförmigen Mediums aus dem Bereich des mindestens einen Seitenkanals 19 und/oder der Förderzelle 28 herausgeführt werden und dem Bereich des Abscheideraums 34 zugeführt werden.
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Weiterhin ist in 7 gezeigt, dass sich auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite des gekapselten Abscheideraums 34 im Gehäuse-Oberteil 7 und/oder im Gehäuse-Unterteil 8 und/oder zwischen dem Gehäuse-Oberteil 7 und dem Gehäuse-Unterteil 8 ein Abführungs-Kanal 46 befindet. Dabei ist der Abführungs-Kanal 46 am tiefsten Punkt, insbesondere am geodätisch tiefsten Punkt im Gehäuse 3 angeordnet, insbesondere in Wirkrichtung der Schwerkraft. Im Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 kann es im Bereich des Seitenkanals 19 und/oder der Förderzelle 28 zur Bildung von flüssigen Wassers durch Auskondensation aus dem gasförmigen Medium kommen. Durch die Rotation des Verdichterrades 2 und der Förderzelle 28 wird dabei das Wasser und/oder andere schwere Bestandteile wie beispielsweise Stickstoff zusammen mit dem gasförmigen Medium in Richtung der Drehrichtung 20 beschleunigt und in Bewegung versetzt. Dabei wirken höhere Zentrifugalkräft radial zur Drehachse 4 auf das Wasser als auf das gasförmige Medium, wodurch es zu einer Fliehkraftabscheidung kommt und sich das Wasser in Abführrichtung V vom Seitenkanal 19 zwischen dem Gehäuse 3 und dem außenliegenden Ringbund 48a, b des Verdichterrads 2 hindurch zum Abscheideraum 34 bewegt. Zusätzlich zum schweren Bestandteil Wasser können auch weitere schwere Bestandteile, wie beispielsweise Stickstoff abgeführt werden. Vorteilhafterweise befindet sich am geodätisch tiefsten Punkt des Abscheideraums 34 der zusätzliche Abführungs-Kanal 46 der wiederum an einen Wasserabscheider des Brennstoffzellsystems 37 angeschlossen werden könnte um somit das flüssige Wasser aus dem Seitenkanalverdichter 1 abzuleiten.
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Vorteilhaft ist es hierbei, dass durch die Wirkung der Schwerkraft und/oder der Zentrifugalkraft auf die im Abscheideraum 34 gesammelten schweren Bestandteile des gasförmigen Mediums allein ein automatisches Ableiten durch den Abführungs-Kanal 46 nach außen erfolgt, ohne dass eine weitere Maßnahme wie beispielsweise ein mechanisches Abpumpen erfolgen muss. Auch wird der Effekt des automatische Ableitens der schweren Bestandteile durch den Abführungs-Kanal 46 nach außen dadurch verstärkt, dass beim Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 weiterhin schwere Bestandteile in den Abscheideraum 34 nachströmen und dadurch die schon befindlichen schweren Bestandteile durch den Abführungskanal 46 herausdrücken.
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Dies bietet zudem den Vorteil, dass die schweren Bestandteile zum einen aus dem Bereich der Förderzelle 28 und dem Seitenkanal 19 abgeführt werden und zum anderen auch aus dem Bereich des Abscheideraums 34 über den Abführungs-Kanal 46 aus dem Brennstoffzellensystem 37 abgeführt werden können. Dadurch wird das Risiko einer Beschädigung der rotierenden Bauteile, insbesondere des Verdichterrads 2 oder der Lager 27 verhindert, da verbleibende schwere Bestandteile, wie beispielsweise Wasser, im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellensystems 37 und bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu einer Eisbrückenbildung führen, die diese Bauteile bei einem Starten des Seitenkanalverdichters 1 beschädigen können. Diese Beschädigung wird durch das Herausleiten der schweren Bestandteile über den Abführungs-Kanal 46 verhindert. Weiterhin wird der Vorteil erzielt, dass durch das Herausleiten der schweren Bestandteile, wie flüssigem Wasser, insbesondere aus dem Bereich des Verdichterraums, verhindert wird, dass sich im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellensystems und bei niedrigen Umgebungstemperaturen sogenannte Eisbrücken zwischen den beweglichen Teilen, insbesondere dem Verdichterrad und dem Gehäuse, bilden. Derartige Eisbrücken würden ein ein Starten des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Seitenkanalverdichters erschweren oder vollständig verhindern. Somit kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters eine Schädigung der rotierenden Teile des Seitenkanalverdichters und/oder eines Antriebs, insbesondere eines elektrischen Antriebs, aufgrund von Eisbrückenbildung, verhindert werden. Dadurch kann eine zuverlässige Kaltstartfähigkeit des Seitenkanalverdichters auch bei einer langen Standzeit und niedrigen Außentemperaturen, inbesondere unter 0° Celsius, gewährleistet werden.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007053016 A1 [0003, 0004]
