DE102019207738A1

DE102019207738A1 - Diffusor für eine Strahlpumpe und Strahlpumpe

Info

Publication number: DE102019207738A1
Application number: DE102019207738.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Martin Katz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diffusor (10) für eine Strahlpumpe, umfassend ein Diffusorgehäuse (12) mit einer Einlassöffnung (13), die einen Einlassquerschnitt (23) aufweist, einer Auslassöffnung (14), die einen Auslassquerschnitt (24) aufweist, wobei der Auslassquerschnitt (24) größer als der Einlassquerschnitt (23) ist, und einen zwischen der Einlassöffnung (13) und der Auslassöffnung (14) angeordneten Strömungsbereich (11), in welchem eine Strömung eines Mediums von der Einlassöffnung (13) zu der Auslassöffnung (14) in eine Hauptströmungsrichtung (H) ermöglicht ist. Es ist ein Rückführbereich (16) vorgesehen, welcher mit dem Strömungsbereich (11) verbunden ist, und über welchen ein durch den Strömungsbereich (11) strömendes Medium zu der Einlassöffnung (13) rückführbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine Strahlpumpe, die einen erfindungsgemäßen Diffusor (10) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor für eine Strahlpumpe, welcher ein Diffusorgehäuse mit einer Einlassöffnung, die einen Einlassquerschnitt aufweist, einer Auslassöffnung, die einen Auslassquerschnitt aufweist, wobei der Auslassquerschnitt größer als der Einlassquerschnitt ist, und einen zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung angeordneten Strömungsbereich, in welchem eine Strömung eines Mediums von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung in eine Hauptströmungsrichtung ermöglicht ist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Strahlpumpe, die einen erfindungsgemäßen Diffusor umfasst.
Stand der Technik
Ein Diffusor ist ein Bauteil, welches Strömungen von Gasen sowie von Flüssigkeiten verlangsamt und dabei den Druck des Gases oder der Flüssigkeit erhöht. Ein Diffusor weist ein Diffusorgehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung auf, wobei zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ein Strömungsbereich angeordnet ist. Das Gas oder die Flüssigkeit durchströmt den Strömungsbereich in einer Hauptströmungsrichtung. Ein Strömungsquerschnitt innerhalb des Strömungsbereichs wird dabei entlang der Hauptströmungsrichtung des Gases oder der Flüssigkeit von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung erweitert.
Ein Diffusor wird beispielsweise in einer Strahlpumpe zur Förderung eines Brennstoffs, insbesondere Wassersoff, in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt. Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, welche mehrere Brennstoffzellen aufweist, die beispielsweise in Form eines Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst eine Anode und eine Kathode.
Der Anode wird Wasserstoff als Brennstoff mittels der Strahlpumpe zugeführt. Dabei wird der Brennstoff beispielsweise aus einem Drucktank der Strahlpumpe als Treibmedium zugeführt und durch die Strahlpumpe weiter zu der Anode geleitet. Überschüssiger Brennstoff von der Anode wird der Strahlpumpe als Saugmedium zugeführt und mit Hilfe des Treibmediums durch die Strahlpumpe der Anode wieder zugeleitet. Luft, welche Sauerstoff als Oxidationsmittel enthält, wird der Kathode vorzugsweise durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor oder Verdichter zugeführt.
Ein Brennstoffzellensystem mit einer Strahlpumpe zur Rezirkulation eines Brennstoffs ist beispielsweise aus der DE 10 2016 215 027 A1 bekannt. Ein Brennstoffzellensystem mit einem als Strahlpumpe wirkenden Förderaggregat ist beispielsweise aus der DE 10 2017 216 806 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Diffusor für eine Strahlpumpe vorgeschlagen. Der Diffusor umfasst dabei ein Diffusorgehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung. Die Einlassöffnung weist einen Einlassquerschnitt auf, und die Auslassöffnung weist einen Auslassquerschnitt auf. Dabei ist der Auslassquerschnitt größer als der Einlassquerschnitt. Der Diffusor umfasst ferner einen zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung angeordneten Strömungsbereich. In dem Strömungsbereich ist eine Strömung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung in eine Hauptströmungsrichtung ermöglicht.
Der Strömungsbereich befindet sich somit innerhalb des Diffusorgehäuses und ist beispielsweise zumindest annähernd trichterförmig ausgebildet. Die Hauptströmungsrichtung erstreckt sich von der Einlassöffnung mit dem kleineren Einlassquerschnitt zu der Auslassöffnung mit dem größeren Auslassquerschnitt. Der Strömungsbereich ist beispielsweise zumindest annähernd rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse ausgebildet, welche parallel zu der Hauptströmungsrichtung verläuft. Ein durch den Strömungsbereich des Diffusors strömendes Medium strömt vorwiegend in Hauptströmungsrichtung durch den annähernd trichterförmig ausgebildeten Strömungsbereich, aber auch in Nebenrichtungen, die leicht geneigt zu der Hauptströmungsrichtung sowie zu der Mittelachse verlaufen.
Ein durch den Strömungsbereich des Diffusors strömendes Medium weist beim Eintritt in den Strömungsbereich an der Einlassöffnung einen Druck und eine Strömungsgeschwindigkeit auf. Bei Austritt aus dem Strömungsbereich weist das Medium an der Auslassöffnung eine geringere Strömungsgeschwindigkeit aber einen höheren Druck auf. Der Diffusor dient somit zum Erhöhen des Drucks und zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit eines durch den Strömungsbereich strömenden Mediums.
Erfindungsgemäß ist ein Rückführbereich vorgesehen, welcher mit dem Strömungsbereich verbunden ist, und über welchen ein durch den Strömungsbereich des Diffusors strömendes Medium teilweise zu der Einlassöffnung des Diffusorgehäuses rückführbar ist. Der Rückführbereich des Diffusors ist vorzugsweise zumindest teilweise innerhalb des Diffusorgehäuses angeordnet. Der Rückführbereich kann aber auch zumindest teilweise außerhalb des Diffusorgehäuses angeordnet sein.
An einer Innenwand des Diffusorgehäuses bildet sich in dem Strömungsbereich eine Grenzschicht aus, in welcher eine Strömung des Mediums verzögert wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Diffusors ist es insbesondere möglich, die besagte Grenzschicht zumindest teilweise aus dem Strömungsbereich abzusaugen und das darin befindliche Medium wieder der Einlassöffnung zuzuführen. Dadurch wird der Druckaufbau durch den Diffusor verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Diffusorgehäuse eine Mehrzahl von Scheibenelementen auf. Die Scheibenelemente sind dabei in Hauptströmungsrichtung aufeinander gestapelt. Die Scheibenelemente weisen jeweils eine Scheibenöffnung mit einem Innenquerschnitt auf. Ein in Hauptströmungsrichtung am weitesten stromaufwärts angeordnetes Scheibenelement bildet dabei die Einlassöffnung, und ein in Hauptströmungsrichtung am weitesten stromabwärts angeordnetes Scheibenelement bildet die Auslassöffnung. Die Scheibenöffnungen der Scheibenelemente bilden den Strömungsbereich. Die Scheibenelemente sind beispielsweise hohlzylindrisch und zumindest annähernd rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse ausgebildet, welche parallel zu der Hauptströmungsrichtung verläuft.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Scheibenelement als Absaugscheibenelement ausgebildet, welches eine Absaugbohrung aufweist. Die Absaugbohrung verläuft dabei geneigt zu der Hauptströmungsrichtung. Vorzugsweise verläuft die Absaugbohrung rechtwinklig zu der Hauptströmungsrichtung. Die Absaugbohrung verbindet den Strömungsbereich mit dem Rückführbereich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Scheibenelement als Konturscheibenelement ausgebildet. Das Konturscheibenelement ist dabei von zwei Absaugscheibenelementen umgeben. Das bedeutet, ein Absaugscheibenelement ist in Hauptströmungsrichtung stromaufwärts von dem Konturscheibenelement angeordnet, und ein Absaugscheibenelement ist in Hauptströmungsrichtung stromabwärts von dem Konturscheibenelement angeordnet. Dabei ist der Innenquerschnitt des Konturscheibenelements größer ist als die Innenquerschnitte der das Konturscheibenelement umgebenden Absaugscheibenelemente.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Wirbelbereich, der zwischen dem mindestens einen Konturscheibenelement und den Absaugscheibenelementen, die das Konturscheibenelement umgeben, gebildet ist, mit der Absaugbohrung mindestens einer der Absaugscheibenelemente, die das Konturscheibenelement umgebenden, verbunden. Der besagte Wirbelbereich wird in Hauptströmungsrichtung von dem stromaufwärts angeordneten Absaugscheibenelement und dem stromabwärts angeordneten Absaugscheibenelement begrenzt. Der Wirbelbereich befindet sich innerhalb der Scheibenöffnung des Konturscheibenelements und wird nach außen, also in einer Richtung von einer Mittelachse des Strömungsbereichs weg, von einer Innenwand des Konturscheibenelements begrenzt. Nach innen, also in einer Richtung auf die Mittelachse des Strömungsbereichs zu, ist der Wirbelbereich offen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nehmen die Innenquerschnitte der Scheibenöffnungen in Hauptströmungsrichtung zu. Das bedeutet, die Scheibenöffnung eines in Hauptströmungsrichtung weiter stromaufwärts angeordneten Scheibenelements weist einen kleineren Innenquerschnitt auf als die Scheibenöffnung eines in Hauptströmungsrichtung weiter stromabwärts angeordneten Scheibenelements.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Diffusorgehäuse ein Trichterelement angeordnet. Das Trichterelement weist eine Mehrzahl von Absaugöffnungen auf, welche geneigt zu der Hauptströmungsrichtung verlaufen. Beispielsweise, aber nicht zwingend, verlaufen die Absaugöffnungen rechtwinklig zu der Hauptströmungsrichtung.
Das Trichterelement weist dabei eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. Die Eintrittsöffnung weist einen Eintrittsquerschnitt auf, und die Austrittsöffnung weist einen Austrittsquerschnitt auf, wobei der Austrittsquerschnitt größer als der Eintrittsquerschnitt ist. Die Eintrittsöffnung ist in Hauptströmungsrichtung stromaufwärts, also benachbart zu der Einlassöffnung des Diffusorgehäuses, angeordnet. Die Austrittsöffnung ist in Hauptströmungsrichtung stromabwärts, also benachbart zu der Auslassöffnung des Diffusorgehäuses, angeordnet.
Das Diffusorgehäuse weist beispielsweise eine Mehrzahl von Scheibenelementen auf, welche in Hauptströmungsrichtung aufeinander gestapelt sind. Die Scheibenelemente weisen dabei jeweils eine Scheibenöffnung mit einem Innenquerschnitt auf. Das Diffusorgehäuse kann aber beispielsweise auch einteilig ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung verbinden die Absaugöffnungen des Trichterelements den Strömungsbereich mit einem Randbereich. Der Randbereich befindet sich innerhalb des Diffusorgehäuses nahe einer Innenwand des Diffusorgehäuses und mündet in den Rückführbereich. Die Absaugöffnungen des Trichterelements verbinden somit den Strömungsbereich über den Randbereich mit dem Rückführbereich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Trichterelement relativ zu dem Diffusorgehäuse in Hauptströmungsrichtung verschiebbar. Durch eine Verschiebung des Trichterelements relativ zu dem Diffusorgehäuse in Hauptströmungsrichtung ist ein Querschnitt des Randbereichs einstellbar. Eine Verschiebung des Trichterelements stromaufwärts bewirkt dabei eine Verkleinerung des Querschnitts des Randbereichs, und eine Verschiebung des Trichterelements stromabwärts bewirkt eine Vergrößerung des Querschnitts des Randbereichs.
Es wird auch eine Strahlpumpe vorgeschlagen, welche einen erfindungsgemäßen Diffusor umfasst. Eine erfindungsgemäße Strahlpumpe ist insbesondere in einem Brennstoffzellensystem zur Förderung eines Brennstoffs, insbesondere Wassersoff, zu den Anoden der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit einsetzbar. Bei dem Medium, das in diesem Fall durch den Diffusor strömt, handelt es sich beispielsweise um Wasserstoff.
Vorteile der Erfindung
Bei einem erfindungsgemäßen Diffusor kann die Baulänge, also die Ausdehnung des Diffusorgehäuses entlang der Hauptströmungsrichtung des Mediums, vorteilhaft verkürzt werden, wodurch der erforderliche Bauraum kleiner wird. Ferner ist der Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Diffusors ebenso wie der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Strahlpumpe vorteilhaft erhöht. Dadurch kann ein Brennstoffzellensystem, welches eine erfindungsgemäße Strahlpumpe zur Förderung des Brennstoffs aufweist, besonders wirtschaftlich betrieben werden.
Durch den Aufbau des Diffusorgehäuses aus einzelnen Scheibenelementen entlang der Hauptströmungsrichtung des Mediums wird ein Baukastensystem zur Konstruktion von Diffusoren bereitgestellt. Durch die Auswahl einer entsprechenden Anzahl von Scheibenelementen, welche jeweils eine Scheibenöffnung mit einem geeigneten Innenquerschnitt aufweisen, können insbesondere Diffusoren für unterschiedliche Leistungsklassen konstruiert und montiert werden.
Ein relativ zu dem Diffusorgehäuse in Hauptströmungsrichtung verschiebbares Trichterelement gestattet vorteilhaft eine Anpassung des Diffusors an einen momentanen Betriebsfall. Durch eine Verschiebung des Trichterelements, was dynamisch während des Betriebs des Diffusors möglich ist, kann ein Querschnitt des Randbereichs in dem Diffusor vorteilhaft lastpunktabhängig eingestellt werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines Diffusors gemäß einer ersten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung eines Diffusors gemäß einer zweiten Ausführungsform und
4 eine schematische Darstellung eines Diffusors gemäß einer dritten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 70. Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 75, welche mehrere, hier nicht explizit dargestellte Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzelleneinheit 75 weist eine Anode 73 und eine Kathode 74 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils negative Elektroden auf, welche gemeinsam die Anode 73 der Brennstoffzelleneinheit 75 bilden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils positive Elektroden auf, welche gemeinsam die Kathode 74 der Brennstoffzelleneinheit 75 bilden.
Die Brennstoffzelleneinheit 75 weist ein negatives Terminal 71 auf, welches elektrisch mit der Anode 73 verbunden ist. Ebenso weist die Brennstoffzelleneinheit 75 ein positives Terminal 72 auf, welches elektrisch mit der Kathode 74 verbunden ist. Zwischen dem negativen Terminal 71 und dem positiven Terminal 72 der Brennstoffzelleneinheit 75 liegt im Betrieb des Brennstoffzellensystems 70 eine elektrische Spannung an. Das negative Terminal 71 und das positive Terminal 72 der Brennstoffzelleneinheit 75 sind beispielsweise mit einem hier nicht dargestellten Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst einen Druckgasspeicher 36, in welchem Wasserstoff bei einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert ist. Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst auch eine Strahlpumpe 20, welche über eine Versorgungsleitung 55 mit dem Druckgasspeicher 36 verbunden ist. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 70 strömt Wasserstoff als Treibmedium durch die Versorgungsleitung 55 in die Strahlpumpe 20. Die Strahlpumpe 20 umfasst einen Diffusor 10.
Der Diffusor 10 der Strahlpumpe 20 ist über eine erste Zufuhrleitung 56 mit der Anode 73 der Brennstoffzelleneinheit 75 verbunden. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 70 strömt Wasserstoff in eine erste Strömungsrichtung 51 durch die erste Zufuhrleitung 56 zu der Anode 73. Die Anode 73 ist zusätzlich über eine erste Abfuhrleitung 57 mit der Strahlpumpe 20 verbunden. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 70 strömt überschüssiger Wasserstoff als Saugmedium von der Anode 73 durch die erste Abfuhrleitung 57 zu der Strahlpumpe 20.
Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst ferner eine zweite Zufuhrleitung 66 zur Zuführung eines Oxidationsmittels, insbesondere Luft mit Sauerstoff, zu der Kathode 74. Dazu ist die zweite Zufuhrleitung 66 mit einem Kompressor 65 verbunden. Der Kompressor 65 saugt Luft an, komprimiert die angesaugte Luft und führt die komprimierte Luft in einer zweiten Strömungsrichtung 61 zu der Kathode 74 der Brennstoffzelleneinheit 75. Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst auch eine zweite Abfuhrleitung 67 zur Abführung von überschüssigem Oxidationsmittel von der Kathode 74. Die zweite Abfuhrleitung 67 dient auch zur Abführung von Produktwasser, welches durch die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 75 entsteht.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Diffusors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Diffusor 10 umfasst ein Diffusorgehäuse 12 mit einer Einlassöffnung 13 und einer Auslassöffnung 14. Die Einlassöffnung 13 weist einen Einlassquerschnitt 23 auf, und die Auslassöffnung 14 weist einen Auslassquerschnitt 24 auf. Dabei ist der Auslassquerschnitt 24 größer als der Einlassquerschnitt 23. Der Diffusor 10 umfasst ferner einen zwischen der Einlassöffnung 13 und der Auslassöffnung 14 angeordneten Strömungsbereich 11.
Im Betrieb strömt Wasserstoff als gasförmiges Medium vorwiegend in einer Hauptströmungsrichtung H durch den Strömungsbereich 11 des Diffusors 10. Der Strömungsbereich 11 ist dabei annähernd trichterförmig und rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse M ausgebildet. Die Mittelachse M verläuft parallel zu der Hauptströmungsrichtung H. Wasserstoff strömt somit auch in Nebenrichtungen N, die leicht geneigt zu der Hauptströmungsrichtung H sowie zu der Mittelachse M verlaufen, durch den Strömungsbereich 11 des Diffusors 10.
Der Diffusor 10 umfasst einen Rückführbereich 16. Der Rückführbereich 16 ist mit dem Strömungsbereich 11 verbunden. Über den Rückführbereich 16 ist der durch den Strömungsbereich 11 strömende Wasserstoff teilweise zu der Einlassöffnung 13 des Diffusorgehäuses 12 rückführbar. Der Rückführbereich 16 ist vorliegend teilweise innerhalb des Diffusorgehäuses 12 und teilweise außerhalb des Diffusorgehäuses 12 angeordnet. Der Rückführbereich 16 kann auch vollständig innerhalb des Diffusorgehäuses 12 angeordnet sein.
Das Diffusorgehäuse12 weist eine Mehrzahl von Scheibenelementen auf. Die Scheibenelemente sind dabei in Hauptströmungsrichtung H aufeinander gestapelt. Die Scheibenelemente weisen jeweils eine Scheibenöffnung mit einem Innenquerschnitt auf. Ein in Hauptströmungsrichtung H am weitesten stromaufwärts angeordnetes Scheibenelement bildet dabei die Einlassöffnung 13, und ein in Hauptströmungsrichtung H am weitesten stromabwärts angeordnetes Scheibenelement bildet die Auslassöffnung 14. Die Scheibenöffnungen der Scheibenelemente bilden den Strömungsbereich 11. Die Scheibenelemente sind hohlzylindrisch und zumindest annähernd rotationssymmetrisch zu der Mittelachse M des Strömungsbereichs 11 ausgebildet. Die Scheibenelemente sind mittels hier nicht dargestellter Schrauben miteinander verbunden.
Die Scheibenelemente sind in Hauptströmungsrichtung H abwechselnd als Absaugscheibenelement 25 und als Konturscheibenelement 26 ausgebildet. Die Absaugscheibenelemente 25 weisen jeweils eine Absaugbohrung 28 auf, welche den Strömungsbereich 11 mit dem Rückführbereich 16 verbindet. Die Absaugbohrungen 28 verlaufen dabei geneigt, insbesondere rechtwinklig, zu der Hauptströmungsrichtung H und zu der Mittelachse M. Die Konturscheibenelemente 26 weisen keine solche Absaugbohrung 28 auf.
Die Innenquerschnitte der Scheibenöffnungen nehmen in Hauptströmungsrichtung H zu. Das bedeutet, die Scheibenöffnung eines in Hauptströmungsrichtung H weiter stromaufwärts angeordneten Scheibenelements weist einen kleineren Innenquerschnitt auf als die Scheibenöffnung eines in Hauptströmungsrichtung H weiter stromabwärts angeordneten Scheibenelements.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Diffusors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Diffusor 10 umfasst ein Diffusorgehäuse 12 mit einer Einlassöffnung 13 und einer Auslassöffnung 14. Die Einlassöffnung 13 weist einen Einlassquerschnitt 23 auf, und die Auslassöffnung 14 weist einen Auslassquerschnitt 24 auf. Dabei ist der Auslassquerschnitt 24 größer als der Einlassquerschnitt 23. Der Diffusor 10 umfasst ferner einen zwischen der Einlassöffnung 13 und der Auslassöffnung 14 angeordneten Strömungsbereich 11.
Im Betrieb strömt Wasserstoff als gasförmiges Medium vorwiegend in einer Hauptströmungsrichtung H durch den Strömungsbereich 11 des Diffusors 10. Der Strömungsbereich 11 ist dabei annähernd trichterförmig und rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse M ausgebildet. Die Mittelachse M verläuft parallel zu der Hauptströmungsrichtung H. Wasserstoff strömt somit auch in Nebenrichtungen N, die leicht geneigt zu der Hauptströmungsrichtung H sowie zu der Mittelachse M verlaufen, durch den Strömungsbereich 11 des Diffusors 10.
Der Diffusor 10 umfasst einen Rückführbereich 16. Der Rückführbereich 16 ist mit dem Strömungsbereich 11 verbunden. Über den Rückführbereich 16 ist der durch den Strömungsbereich 11 strömende Wasserstoff teilweise zu der Einlassöffnung 13 des Diffusorgehäuses 12 rückführbar. Der Rückführbereich 16 ist vorliegend teilweise innerhalb des Diffusorgehäuses 12 und teilweise außerhalb des Diffusorgehäuses 12 angeordnet. Der Rückführbereich 16 kann auch vollständig innerhalb des Diffusorgehäuses 12 angeordnet sein.
Das Diffusorgehäuse12 weist eine Mehrzahl von Scheibenelementen auf. Die Scheibenelemente sind dabei in Hauptströmungsrichtung H aufeinander gestapelt. Die Scheibenelemente weisen jeweils eine Scheibenöffnung mit einem Innenquerschnitt auf. Ein in Hauptströmungsrichtung H am weitesten stromaufwärts angeordnetes Scheibenelement bildet dabei die Einlassöffnung 13, und ein in Hauptströmungsrichtung H am weitesten stromabwärts angeordnetes Scheibenelement bildet die Auslassöffnung 14. Die Scheibenöffnungen der Scheibenelemente bilden den Strömungsbereich 11. Die Scheibenelemente sind hohlzylindrisch und zumindest annähernd rotationssymmetrisch zu der Mittelachse M des Strömungsbereichs 11 ausgebildet. Die Scheibenelemente sind mittels hier nicht dargestellter Schrauben miteinander verbunden.
Die Scheibenelemente sind in Hauptströmungsrichtung H abwechselnd als Absaugscheibenelement 25 und als Konturscheibenelement 26 ausgebildet. Die Absaugscheibenelemente 25 weisen jeweils eine Absaugbohrung 28 auf, welche den Strömungsbereich 11 mit dem Rückführbereich 16 verbindet. Die Absaugbohrungen 28 verlaufen dabei geneigt, insbesondere rechtwinklig, zu der Hauptströmungsrichtung H und zu der Mittelachse M. Die Konturscheibenelemente 26 weisen keine solche Absaugbohrung 28 auf.
Der Innenquerschnitt eines Konturscheibenelements 26 ist dabei größer als der Innenquerschnitt des in Hauptströmungsrichtung H stromaufwärts von dem Konturscheibenelement 26 angeordneten Absaugscheibenelements 25 und größer als der Innenquerschnitt des in Hauptströmungsrichtung H stromabwärts von dem Konturscheibenelement 26 angeordneten Absaugscheibenelements 25. Zwischen einem Konturscheibenelement 26 und den Absaugscheibenelementen 25, die das Konturscheibenelement 26 umgeben, wird dadurch jeweils ein Wirbelbereich 30 gebildet.
Der besagte Wirbelbereich 30 wird in Hauptströmungsrichtung H von dem stromaufwärts angeordneten Absaugscheibenelement 25 und dem stromabwärts angeordneten Absaugscheibenelement 25 begrenzt. Der Wirbelbereich 30 befindet sich innerhalb der Scheibenöffnung des Konturscheibenelements 26 und wird nach außen von dem Konturscheibenelement 26 begrenzt. Nach innen ist der Wirbelbereich 30 offen. Der Wirbelbereich 30 ist jeweils mit der Absaugbohrung 28 des stromaufwärts angeordneten Absaugscheibenelements 25 verbunden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diffusors 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Diffusor 10 umfasst ein Diffusorgehäuse 12 mit einer Einlassöffnung 13 und einer Auslassöffnung 14. Die Einlassöffnung 13 weist einen Einlassquerschnitt 23 auf, und die Auslassöffnung 14 weist einen Auslassquerschnitt 24 auf. Dabei ist der Auslassquerschnitt 24 größer als der Einlassquerschnitt 23. Der Diffusor 10 umfasst ferner einen zwischen der Einlassöffnung 13 und der Auslassöffnung 14 angeordneten Strömungsbereich 11.
Im Betrieb strömt Wasserstoff als gasförmiges Medium vorwiegend in einer Hauptströmungsrichtung H durch den Strömungsbereich 11 des Diffusors 10. Der Strömungsbereich 11 ist dabei annähernd trichterförmig und rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse M ausgebildet. Die Mittelachse M verläuft parallel zu der Hauptströmungsrichtung H. Wasserstoff strömt somit auch in Nebenrichtungen N, die leicht geneigt zu der Hauptströmungsrichtung H sowie zu der Mittelachse M verlaufen, durch den Strömungsbereich 11 des Diffusors 10.
Das Diffusorgehäuse 12 ist vorliegend einteilig ausgebildet. Das Diffusorgehäuse 12 kann auch mehrteilig ausgebildet sein, beispielsweise kann das Diffusorgehäuse 12 eine Mehrzahl von Scheibenelementen aufweisen, welche in Hauptströmungsrichtung H aufeinander gestapelt sind, und welche jeweils eine Scheibenöffnung mit einem Innenquerschnitt aufweisen.
Der Diffusor 10 umfasst einen Rückführbereich 16. Der Rückführbereich 16 ist mit dem Strömungsbereich 11 verbunden. Über den Rückführbereich 16 ist der durch den Strömungsbereich 11 strömende Wasserstoff teilweise zu der Einlassöffnung 13 des Diffusorgehäuses 12 rückführbar. Der Rückführbereich 16 ist vorliegend vollständig innerhalb des Diffusorgehäuses 12 angeordnet. Der Rückführbereich 16 kann auch teilweise innerhalb des Diffusorgehäuses 12 und teilweise außerhalb des Diffusorgehäuses 12 angeordnet sein.
In dem Diffusorgehäuse 12 ist ein Trichterelement 40 angeordnet. Das Trichterelement 40 weist dabei eine Eintrittsöffnung 43 und eine Austrittsöffnung 44 auf. Die Eintrittsöffnung 43 weist einen Eintrittsquerschnitt 33 auf, und die Austrittsöffnung 44 weist einen Austrittsquerschnitt 34 auf, wobei der Austrittsquerschnitt 34 größer als der Eintrittsquerschnitt 33 ist. Die Eintrittsöffnung 43 ist in Hauptströmungsrichtung H stromaufwärts, also benachbart zu der Einlassöffnung 13 des Diffusorgehäuses 12, angeordnet. Die Austrittsöffnung 44 ist in Hauptströmungsrichtung H stromabwärts, also benachbart zu der Auslassöffnung 14 des Diffusorgehäuses 12, angeordnet. Das Trichterelement 40 weist auch eine Mehrzahl von Absaugöffnungen 48 auf, welche geneigt zu der Hauptströmungsrichtung H verlaufen.
Innerhalb des Diffusorgehäuses 12 und nahe einer Innenwand des Diffusorgehäuses 12 befindet sich ein Randbereich 46. Randbereich 46 mündet in den Rückführbereich 16. Die Absaugöffnungen 48 des Trichterelements 40 verbinden den Strömungsbereich 11 über den Randbereich 46 mit dem Rückführbereich 16. Wasserstoff kann somit von dem Strömungsbereich 11 durch die Absaugöffnungen 48 zu dem Randbereich 46 und weiter zu dem Rückführbereich 16 strömen.
Das Trichterelement 40 ist relativ zu dem Diffusorgehäuse 12 in Hauptströmungsrichtung H, und somit auch parallel zu der Mittelachse M, verschiebbar. Durch eine Verschiebung des Trichterelements 40 relativ zu dem Diffusorgehäuse 12 in Hauptströmungsrichtung H ist ein Querschnitt des Randbereichs 46 einstellbar. Eine Verschiebung des Trichterelements 40 stromaufwärts bewirkt dabei eine Verkleinerung des Querschnitts des Randbereichs 46. Eine Verschiebung des Trichterelements 40 stromabwärts bewirkt eine Vergrößerung des Querschnitts des Randbereichs 46.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016215027 A1 [0005]
DE 102017216806 A1 [0005]

Claims

Diffusor (10) für eine Strahlpumpe (20), umfassend ein Diffusorgehäuse (12) mit einer Einlassöffnung (13), die einen Einlassquerschnitt (23) aufweist, einer Auslassöffnung (14), die einen Auslassquerschnitt (24) aufweist, wobei der Auslassquerschnitt (24) größer als der Einlassquerschnitt (23) ist, und einen zwischen der Einlassöffnung (13) und der Auslassöffnung (14) angeordneten Strömungsbereich (11), in welchem eine Strömung eines Mediums von der Einlassöffnung (13) zu der Auslassöffnung (14) in eine Hauptströmungsrichtung (H) ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückführbereich (16) vorgesehen ist, welcher mit dem Strömungsbereich (11) verbunden ist, und über welchen ein durch den Strömungsbereich (11) strömendes Medium zu der Einlassöffnung (13) rückführbar ist.
Diffusor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusorgehäuse (12) eine Mehrzahl von Scheibenelementen aufweist, welche in Hauptströmungsrichtung (H) aufeinander gestapelt sind, und welche jeweils eine Scheibenöffnung mit einem Innenquerschnitt aufweisen.
Diffusor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Scheibenelement als Absaugscheibenelement (25) ausgebildet ist, welches eine Absaugbohrung (28) aufweist, welche geneigt zu der Hauptströmungsrichtung (H) verläuft, und welche den Strömungsbereich (11) mit dem Rückführbereich (16) verbindet.
Diffusor (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Scheibenelement als Konturscheibenelement (26) ausgebildet ist, welches von zwei Absaugscheibenelementen (25) umgeben ist, wobei der Innenquerschnitt des Konturscheibenelements (26) größer ist als die Innenquerschnitte der das Konturscheibenelement (26) umgebenden Absaugscheibenelemente (25).
Diffusor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem mindestens einen Konturscheibenelement (26) und den das Konturscheibenelement (26) umgebenden Absaugscheibenelementen (25) gebildeter Wirbelbereich (30) mit der Absaugbohrung (28) mindestens einer der das Konturscheibenelement (26) umgebenden Absaugscheibenelementen (25) verbunden ist.
Diffusor (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenquerschnitte der Scheibenöffnungen in Hauptströmungsrichtung (H) zunehmen.
Diffusor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Diffusorgehäuse (12) ein Trichterelement (40) angeordnet ist, welches eine Mehrzahl von Absaugöffnungen (48) aufweist, welche geneigt zu der Hauptströmungsrichtung (H) verlaufen.
Diffusor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugöffnungen (48) den Strömungsbereich (11) mit einem Randbereich (46) verbinden, welcher in den Rückführbereich (16) mündet.
Diffusor (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trichterelement (40) relativ zu dem Diffusorgehäuse (12) in Hauptströmungsrichtung (H) verschiebbar ist.
Strahlpumpe (20), umfassend einen Diffusor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.