DE102019211237A1 - Air supply device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung (5) für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad (30), das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung (50) an einer Welle (40) befestigt ist.Um die Luftzuführvorrichtung (5) funktionell zu verbessern, umfasst die axiale Spanneinrichtung (50) zwei Spannelemente (51,52), durch welche das Laufrad (30) radial verspannt wird.The invention relates to an air supply device (5) for a fuel cell, having at least one impeller (30) which is fastened to a shaft (40) with the aid of an axial clamping device (50). In order to improve the function of the air supply device (5), the axial tensioning device (50) two tensioning elements (51, 52), by means of which the impeller (30) is radially tensioned.
Description
Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist.The invention relates to an air supply device for a fuel cell, with at least one impeller which is fastened to a shaft with the aid of an axial tensioning device.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem amerikanischen Patent US 10,069,154 B2 ist eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle bekannt, mit einer Welle; mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist und das in einem Ende der Welle befestigt ist, wobei die Welle zwei als separate Bauteile ausgebildete Wellenlagerabschnitte und einen zwischen den Wellenlagerabschnitten angeordneten, ein separates Bauteil bildenden und einen einen Rotor eines Elektromotors bildenden Magnetabschnitt aufweist, wobei die Wellenlagerabschnitte und der Magnetabschnitt über einen Zuganker gegeneinander verspannt sind.From the American patent US 10,069,154 B2 an air supply device for a fuel cell is known, with a shaft; with a compressor wheel which is arranged in a compressor housing and which is fastened in one end of the shaft, the shaft having two shaft bearing sections designed as separate components and a magnet section arranged between the shaft bearing sections, forming a separate component and forming a rotor of an electric motor, wherein the shaft bearing sections and the magnet section are braced against one another via a tie rod.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist, funktionell zu verbessern.The object of the invention is to functionally improve an air supply device for a fuel cell, with at least one impeller which is fastened to a shaft with the aid of an axial tensioning device.
Die Aufgabe ist bei einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist, dadurch gelöst, dass die axiale Spanneinrichtung zwei Spannelemente umfasst, durch welche das Laufrad radial verspannt wird. Bei der Luftzuführvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Verdichter mit einem Gehäuse, in welchem ein Laufrad um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das Laufrad wird, zum Beispiel mit Hilfe eines Elektromotors, angetrieben, um mit Hilfe einer geeigneten Beschaufelung auf einer Laufradvorderseite zugeführte Luft zu verdichten. Daher wird der Verdichter auch als Luftverdichter oder Luftkompressor bezeichnet. Ein Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise mehrere Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen. Die mit Hilfe der Luftzuführeinrichtung zugeführte Luft enthält Sauerstoff als Oxidationsmittel, das einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Als Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet, der zum Beispiel in einem Druckgasspeicher gespeichert und einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Das Laufrad ist um eine Drehachse drehbar gelagert. Die Drehachse des Laufrads definiert eine axiale Richtung, auf die sich der Begriff axial in Bezug auf die Spanneinrichtung bezieht. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Laufrads. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse des Laufrads. Durch die mit den beiden Spannelementen der axialen Spanneinrichtung realisierte radiale Pressung kann die Fixierung des Laufrads an der Welle optimiert werden. Durch die beiden Spannelemente kann besonders vorteilhaft ein unerwünschter Einfluss von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten reduziert werden. Das Laufrad ist zum Beispiel aus einem Aluminiummaterial gebildet. Die Welle ist zum Beispiel aus einem Stahlmaterial gebildet. Die Spannelemente sind vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet, wie es zur Herstellung von herkömmlichen Spannelementen verwendet wird. Dabei handelt es sich zum Beispiel um einen relativ festen metallischen Werkstoff, der vorzugsweise korrosionsbeständig ist und sich beim Verspannen nicht zu leicht verformt. Zu diesem Zweck kann das Material, aus dem die Spannelemente gebildet sind, gehärtet sein.In the case of an air supply device for a fuel cell, with at least one impeller, which is fastened to a shaft with the aid of an axial tensioning device, the object is achieved in that the axial tensioning device comprises two tensioning elements by which the impeller is radially tensioned. The air supply device is preferably a compressor with a housing in which an impeller is rotatably mounted about an axis of rotation. The impeller is driven, for example with the aid of an electric motor, in order to compress air supplied on the front of the impeller with the aid of suitable blades. Therefore the compressor is also referred to as an air compressor or air compressor. A fuel cell system preferably comprises a plurality of fuel cells, each of which comprises an anode and a cathode. The air supplied with the aid of the air supply device contains oxygen as an oxidizing agent, which is supplied to a cathode of the fuel cell. The fuel used is preferably hydrogen, which is stored, for example, in a pressurized gas reservoir and fed to an anode of the fuel cell. The impeller is rotatably mounted about an axis of rotation. The axis of rotation of the impeller defines an axial direction to which the term axial refers in relation to the tensioning device. Axial means in the direction or parallel to the axis of rotation of the impeller. Analog means radial transverse to the axis of rotation of the impeller. The fixing of the impeller on the shaft can be optimized by the radial pressure realized with the two clamping elements of the axial clamping device. The two clamping elements can particularly advantageously reduce an undesirable influence of different coefficients of thermal expansion. The impeller is made of an aluminum material, for example. The shaft is made of a steel material, for example. The tensioning elements are preferably formed from a metallic material, as is used for the production of conventional tensioning elements. This is, for example, a relatively solid metallic material that is preferably corrosion-resistant and does not deform too easily when it is braced. For this purpose, the material from which the tensioning elements are formed can be hardened.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Spanneinrichtung ein radial inneres und ein radial äußeres Spannelement mit Konusflächen umfasst, die so ausgeführt und angeordnet sind, dass das radial äußere Spannelement radial gegen das Laufrad gepresst wird, wenn die axiale Spanneinrichtung axial verspannt wird. Beim Aktivieren der axialen Spanneinrichtung wird eine in axialer Richtung wirkende axiale Spannkraft auf eines der Spannelemente, vorzugsweise auf das radial äußere Spannelement, aufgebracht. Dabei stützt sich das andere Spannelement, vorzugsweise das radial innere Spannelement, in axialer Richtung an einer Gegenfläche ab, vorzugsweise an einer Stirnfläche an einem dem Laufrad zugewandten Ende der Welle. Durch die axiale Spannkraft und das Zusammenwirken der Spannelemente an ihren Konusflächen wird das radial äußere Spannelement radial nach außen gedrückt, so dass sich der Außendurchmesser des radial äußeren Spannelements vergrößert. Gleichzeitig wird das radial innere Spannelement radial mit der Welle verspannt. Dadurch wird auf einfache Art und Weise die gewünschte radiale Verspannung des Laufrads an der Welle realisiert, wenn die axiale Spanneinrichtung durch Aufbringen der axialen Spannkraft aktiviert wird.A preferred embodiment of the air supply device is characterized in that the axial clamping device comprises a radially inner and a radially outer clamping element with conical surfaces, which are designed and arranged in such a way that the radially outer clamping element is pressed radially against the impeller when the axial clamping device is axially clamped becomes. When the axial clamping device is activated, an axial clamping force acting in the axial direction is applied to one of the clamping elements, preferably to the radially outer clamping element. The other clamping element, preferably the radially inner clamping element, is supported in the axial direction on an opposing surface, preferably on an end surface on an end of the shaft facing the impeller. As a result of the axial clamping force and the interaction of the clamping elements on their conical surfaces, the radially outer clamping element is pressed radially outward, so that the outer diameter of the radially outer clamping element increases. At the same time, the radially inner clamping element is clamped radially to the shaft. The desired radial tensioning of the impeller on the shaft is thereby achieved in a simple manner when the axial tensioning device is activated by applying the axial tensioning force.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad eine zentrale Spannausnehmung umfasst, die der Welle zugewandt ist. Die zentrale Spannausnehmung ist zum Beispiel als zentrales Sackloch in dem Laufrad ausgeführt. Die beiden Spannelemente sind so auf einfache Art und Weise in der zentralen Spannausnehmung montierbar.Another preferred exemplary embodiment of the air supply device is characterized in that the impeller comprises a central tensioning recess which faces the shaft. The central clamping recess is designed, for example, as a central blind hole in the impeller. The two clamping elements can thus be easily mounted in the central clamping recess.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Spannausnehmung radial innerhalb eines Laufradabschnitts angeordnet ist, der einen größeren Außendurchmesser als benachbarte Laufradabschnitte aufweist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass das Laufrad im Bereich der zentralen Spannausnehmung eine ausreichend große Festigkeit aufweist. Die zentrale Spannausnehmung ist besonders vorteilhaft radial innerhalb des Laufradabschnitts angeordnet, in dem das Laufrad den größten Außendurchmesser hat.Another preferred embodiment of the air supply device is characterized in that the central clamping recess is arranged radially within an impeller section, which has a larger outer diameter than adjacent impeller sections. This ensures in a simple manner that the impeller has a sufficiently high strength in the area of the central clamping recess. The central clamping recess is particularly advantageously arranged radially inside the impeller section in which the impeller has the largest outer diameter.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad ein Durchgangsloch umfasst, das einen kleineren Innendurchmesser als die Spannausnehmung hat. Das Durchgangsloch dient vorzugsweise zum Durchführen einer Spannstange, die wiederum dazu dient, die axiale Spannkraft zum Aktivieren der axialen Spanneinrichtung aufzubringen. Die Spannstange dient darüber hinaus vorteilhaft dazu, das Laufrad an der Welle zu zentrieren. Die Spannstange ist besonders vorteilhaft als Multifunktionsteil ausgeführt, das gegebenenfalls auch noch dazu dient, die dem Laufrad zugeführte Luft, die mit dem Laufrad verdichtet wird, in ihrem Anströmverhalten zu optimieren.Another preferred embodiment of the air supply device is characterized in that the impeller comprises a through hole which has a smaller inner diameter than the clamping recess. The through hole is preferably used to lead through a tensioning rod, which in turn serves to apply the axial tensioning force for activating the axial tensioning device. The tension rod also serves to center the impeller on the shaft. The tension rod is particularly advantageously designed as a multifunctional part which, if necessary, also serves to optimize the flow behavior of the air supplied to the impeller, which is compressed with the impeller.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Spanneinrichtung eine Spannstange umfasst, die sich in axialer Richtung durch die Spannelemente und durch das Laufrad hindurch in eine zentrale Ausnehmung der Welle hinein erstreckt. Die beiden Spannelemente sind in radialer Richtung vorzugsweise zwischen der Spannstange und dem Laufrad in der Spannausnehmung des Laufrads angeordnet. Die Spannstange dient vorteilhaft zum Befestigen, insbesondere Verspannen, und zum Zentrieren des Laufrads an der Welle.Another preferred embodiment of the air supply device is characterized in that the axial tensioning device comprises a tensioning rod which extends in the axial direction through the tensioning elements and through the impeller into a central recess of the shaft. The two clamping elements are preferably arranged in the radial direction between the clamping rod and the impeller in the clamping recess of the impeller. The tension rod is used advantageously for fastening, in particular bracing, and for centering the impeller on the shaft.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannstange mindestens einen Zentrierbund aufweist, auf dem das Laufrad zentriert ist. Die Spannstange kann zu diesem Zweck auch zwei oder mehr Zentrierbunde aufweisen. Mindestens ein Zentrierbund kann radial innerhalb mindestens eines der Spannelemente angeordnet sein. Je nach Ausführung können aber auch zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete Zentrierbunde außerhalb der Spannausnehmung, zum Beispiel in dem vorab beschriebenen Durchgangsloch des Laufrads angeordnet sein.Another preferred embodiment of the air supply device is characterized in that the tensioning rod has at least one centering collar on which the impeller is centered. For this purpose, the tension rod can also have two or more centering collars. At least one centering collar can be arranged radially inside at least one of the clamping elements. Depending on the design, however, two centering collars spaced apart from one another in the axial direction can also be arranged outside the clamping recess, for example in the previously described through hole of the impeller.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannstange an einem Ende einen Kopf aufweist. Der Kopf dient vorteilhaft dazu, mit einem geeigneten Werkzeug die axiale Spannkraft zum Aktivieren der axialen Spanneinrichtung auf das Spannelement aufzubringen. Zu diesem Zweck ist der Kopf zum Beispiel als Halbkugel ausgeführt. Der Kopf kann aber auch mindestens eine Werkzeugangriffsfläche oder Spiegelfläche aufweisen, die das Aufbringen eines Drehmoments über den Kopf auf die Spannstange ermöglicht, wenn diese, zum Beispiel mit einem Ende in ein entsprechendes Ende der Welle eingeschraubt wird. Zu diesem Zweck kann der Kopf auch mit einem Innensechskant ausgestattet sein.Another preferred exemplary embodiment of the air supply device is characterized in that the tension rod has a head at one end. The head is advantageously used to apply the axial clamping force for activating the axial clamping device to the clamping element with a suitable tool. For this purpose, the head is designed as a hemisphere, for example. However, the head can also have at least one tool engagement surface or mirror surface which enables a torque to be applied to the clamping rod via the head when this is screwed, for example, with one end into a corresponding end of the shaft. For this purpose, the head can also be equipped with a hexagon socket.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannstange mit einem Ende in der Welle fixiert ist. Die Spannstange kann mit einem Ende zum Beispiel in die Welle eingepresst oder eingeschraubt sein. Zu diesem Zweck ist die Welle vorteilhaft mit einer zentralen Ausnehmung ausgestattet, deren Innendurchmesser zur Darstellung eines Pressverbands mit dem Außendurchmesser des Spannstangenendes abgestimmt ist. Das Spannstangenende und die zentrale Ausnehmung der Welle können aber auch mit komplementären Gewindeabschnitten ausgestattet sein.Another preferred exemplary embodiment of the air supply device is characterized in that one end of the tension rod is fixed in the shaft. One end of the tension rod can, for example, be pressed or screwed into the shaft. For this purpose, the shaft is advantageously equipped with a central recess, the inner diameter of which is matched to the outer diameter of the end of the tension rod to represent a press fit. The end of the tie rod and the central recess of the shaft can also be equipped with complementary threaded sections.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannstange eine Spannringscheibe aufweist, die in axialer Richtung gegen das äußere Spannelement verspannt ist, wobei das radial innere Spannelement in axialer Richtung an der Welle abgestützt ist. Die Spannringscheibe kann als separates Bauteil ausgeführt sein. Dann kann die Spannringscheibe in axialer Richtung zum Beispiel an einem geeigneten Wellenbund abgestützt sein. Die Spannringscheibe kann aber auch einstückig mit der Welle verbunden sein, wenn die Spannringscheibe sozusagen als Bund an der Welle ausgeführt ist. Die Spannringscheibe als separates Bauteil kann aber auch an einem geeigneten Wellenabsatz abgestützt sein.Another preferred embodiment of the air supply device is characterized in that the clamping rod has a clamping ring disk which is clamped in the axial direction against the outer clamping element, the radially inner clamping element being supported in the axial direction on the shaft. The clamping ring disc can be designed as a separate component. Then the clamping ring disc can be supported in the axial direction, for example on a suitable shaft collar. The clamping ring disk can also be connected in one piece to the shaft if the clamping ring disk is designed as a collar on the shaft, so to speak. The clamping ring washer as a separate component can, however, also be supported on a suitable shaft shoulder.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Montieren, insbesondere Befestigen, eines Laufrads an einer Welle einer vorab beschriebenen Luftzuführvorrichtung.The invention optionally also relates to a method for assembling, in particular fastening, an impeller on a shaft of an air supply device described above.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Spannelement, eine Welle und/oder ein Laufrad für eine vorab beschriebene Luftzuführvorrichtung. Die genannten Teile sind separat handelbar.The invention also relates to a tensioning element, a shaft and / or an impeller for an air supply device described above. The parts mentioned can be traded separately.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Luftzuführvorrichtung.The invention optionally also relates to a fuel cell system with an air supply device described above.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
-
1 eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung, die zwei Spannelemente umfasst, an einer Welle befestigt ist, im Längsschnitt; -
2a einen vergrößerten Ausschnitt aus1 mit einer Spannringscheibe; -
2b einen weiteren vergrößerten Ausschnitt aus1 mit einem Spannstangenkopf, der einen Innensechskant umfasst; -
3 einen weiteren vergrößerten Ausschnitt aus1 mit zwei Ausführungsvarianten zur Festlegung eines Spannstangenendes in der Welle; und -
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Luftzuführvorrichtung, die als Luftverdichter ausgeführt ist.
-
1 an air supply device for a fuel cell, with an impeller which is fastened to a shaft with the aid of an axial clamping device which comprises two clamping elements, in longitudinal section; -
2a anenlarged section 1 with a tension washer; -
2 B anotherenlarged section 1 with a tie rod head which comprises a hexagon socket; -
3 anotherenlarged section 1 with two design variants for fixing a tie rod end in the shaft; and -
4th a schematic representation of a fuel cell system with an air supply device, which is designed as an air compressor.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
In
Durch einen Pfeil
Die über den Kühlluftpfad
Da der Kühlluftmassenstrom
Der verbleibende Luftmassenstrom
Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung
Der Abgasmassenstrom
Die Welle ist durch einen Elektromotor
Das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
In
Radial innerhalb und in axialer Richtung überlappend zu dem Laufradabschnitt
Durch Pfeile
Die Welle
Die Spannstange
Das Spannelement
Die Spannstange
In
Die beanspruchte Ausführung der axialen Spanneinrichtung
Die Spannstange
Bei dem in
In
Die durch die axiale Spanneinrichtung
Die axiale Spannkraft wird beim Aktivieren der axialen Spanneinrichtung
In
Zum Zentrieren des Laufrads
Die radiale Verspannung oder Pressung der Spannelemente
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102012224052 A1 [0019]DE 102012224052 A1 [0019]
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DE102019211237.4A DE102019211237A1 (en) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Air supply device |
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DE102019211237.4A DE102019211237A1 (en) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Air supply device |
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DE (1) | DE102019211237A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11401942B2 (en) * | 2020-05-15 | 2022-08-02 | Garrett Transportation I Inc | Fastener arrangement for rotating group of turbomachine |
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2019
- 2019-07-29 DE DE102019211237.4A patent/DE102019211237A1/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11401942B2 (en) * | 2020-05-15 | 2022-08-02 | Garrett Transportation I Inc | Fastener arrangement for rotating group of turbomachine |
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