DE102020205172A1

DE102020205172A1 - Strömungsmaschine, Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102020205172A1
Application number: DE102020205172.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Reinhard Ott
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-10-28
Also published as: WO2021213783A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (1) zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens ein mit einer Welle (2) drehfest verbundenes Laufrad (3) sowie einen Elektromotor (4) zum Antreiben der Welle (2), wobei die Welle (2) über mindestens zwei Radiallager (5) und ein Axiallager (6) in einem Gehäuse (7) drehbar gelagert ist. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse (7) mindestens einen Einlass (8) für einen Kühlkanal (9) auf, der sich innerhalb des Gehäuses (7) in mehrere Kühlpfade (10.1, 10.2, 10.3, 10.4) aufteilt.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Strömungsmaschine kann insbesondere zur Luftversorgung von Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Strömungsmaschine.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff, der in einer Brennstoffzelle des Systems mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt, die als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden kann. Als Sauerstoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt wird, da der Prozess einen bestimmten Luftmassenstrom und ein bestimmtes Druckniveau erfordert. Das Luftverdichtungssystem umfasst daher in der Regel eine hochdrehende Strömungsmaschine mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energierückgewinnung kann auf der Welle ein Turbinenrad angeordnet sein, dem abströmende feuchte Luft zugeführt wird.
Strömungsmaschinen, die der Luftversorgung von Brennstoffzellensysteme dienen, weisen in der Regel Folienluftlager auf, um das System ölfrei zu halten. Folienluftlager erzeugen jedoch Luftreibungsverluste und werden daher mit Hilfe von zusätzlicher Luft gekühlt. Hierzu werden üblicherweise etwa 5 bis 10 % der verdichteten Luft für die Kühlung abgezweigt. Diese abgezweigte Luftmenge steht anschließend für den Prozess in der Brennstoffzelle nicht mehr zur Verfügung und setzt somit den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine herab. Damit die abgezweigte Luft überhaupt Kühlleistung erbringen kann, wird sie zuvor selber gekühlt. In der Regel wird hierzu die Kühlluft hinter einem Ladeluftkühler des Brennstoffzellensystems abgezweigt. Der zusätzliche Kühlbedarf muss bei der Auslegung des Ladeluftkühlers berücksichtigt werden. Zudem muss eine zusätzliche Leitung vorgesehen werden, mittels welches die Kühlluft der Strömungsmaschine zugeführt werden kann.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Kühlkonzept für eine Strömungsmaschine vorzuschlagen, das zu einer Optimierung der Kühlung bzw. der Kühlleistung beiträgt.
Zur Lösung der Aufgabe werden die Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird eine Strömungsmaschine zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens ein mit einer Welle fest verbundenes Laufrad sowie einen Elektromotor zum Antreiben der Welle. Die Welle ist dabei über mindestens zwei Radiallager und ein Axiallager in einem Gehäuse drehbar gelagert. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse mindestens einen Einlass für einen Kühlkanal auf, der sich innerhalb des Gehäuses in mehrere Kühlpfade aufteilt.
Über den Einlass wird dem Kühlkanal ein Kühlmedium, vorzugsweise Luft, zugeführt, das über die mehreren Kühlpfade dorthin geführt werden kann, wo im Betrieb der Strömungsmaschine der Wärmeeintrag in das Gehäuse am größten ist. Somit kann jeder Komponente der Strömungsmaschine, die im Betrieb zu einem Wärmeeintrag führt, über einen eigenen Kühlpfad mit Kühlmedium versorgt bzw. gekühlt werden. Die Aufteilung des Kühlkanals in mehrere Kühlpfade steigert auf diese Weise die Effizienz der Kühlung der Strömungsmaschine.
Sofern Luft als Kühlmedium verwendet wird, kann ein Teil der zuvor mit Hilfe der Strömungsmaschine verdichteten Luft über den im Gehäuse vorgesehenen Einlass in den Kühlkanal eingeleitet werden. Der Einlass ist hierzu bevorzugt in der Nähe eines Auslasses angeordnet, über den die verdichtete Luft aus der Strömungsmaschine abströmt. Dies ermöglicht kurze Leitungswege innerhalb oder außerhalb der Strömungsmaschine. Da in der Regel das Verdichterrad axial angeströmt wird und die Luft über das Verdichterrad nach radial außen abströmt, liegt vorzugsweise der Einlass in das Gehäuse bzw. in den Kühlkanal ebenfalls in einem Außenumfangsbereich der Strömungsmaschine. Über den außenumfangseitig angeordneten Einlass und den Kühlkanal wird dann vorzugsweise die zum Kühlen abgezweigte verdichtete Luft von radial außen wieder nach radial innen geführt.
Bevorzugt teilt sich der Kühlkanal in Strömungsrichtung stromaufwärts einer Wicklung des Elektromotors in mehrere Kühlpfade auf. Zumindest ein Kühlpfad kann dann in Richtung der Wicklung geführt werden. Zumindest ein weiterer Kühlpfad kann dann an einen Ort innerhalb des Gehäuses geführt werden, der ebenfalls durch Wärmeeintrag belastet wird.
Ferner wird vorgeschlagen, dass sich der Kühlkanal in Strömungsrichtung stromaufwärts der Radial-und Axiallager in mehrere Kühlpfade aufteilt. Zumindest ein Kühlpfad kann dann in Richtung der Radial-und Axiallager geführt werden, wobei durch die Aufteilung in mehrere Kühlpfade jeweils ein Lager durch einen separaten Kühlpfad gekühlt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen mindestens zwei Kühlpfade zumindest abschnittsweise in einander entgegengesetzte axiale Richtungen. D.h., dass ein Kühlpfad sich in zwei Kühlpfade aufteilen kann, die in zwei einander entgegengesetzte Richtungen verlaufen. Über den ersten Kühlpfad kann ein erstes Radiallager und über den zweiten Kühlpfad kann ein zweites Radiallager mit Kühlmedium versorgt werden. Von einem Radiallager aus kann ein Kühlpfad bis zu einem Axiallager geführt werden. Zumindest ein Radiallager und ein Axiallager können somit über einen gemeinsamen Kühlpfad mit Kühlmedium versorgt werden. Da in der Regel zwei Axiallager vorhanden sind, kann das zweite Axiallager an einen weiteren Kühlpfad angebunden sein.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Kühlpfade innerhalb des Gehäuses wieder zusammengeführt werden. Auf diese Weise kann das in den Kühlpfaden vorhandene Kühlmedium über einen gemeinsamen Auslass aus dem Gehäuse wieder herausgeführt werden.
Vorzugsweise werden zwei Kühlpfade stromabwärts mindestens eines Axiallagers zusammengeführt. Vor dem Zusammenführen können die beiden Kühlpfade parallel geführt werden. Auf diese Weise können zwei gegenüberliegend angeordnete Axiallager über separate Kühlpfade gekühlt werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in den Kühlpfaden mindestens ein Ventil zur Abstimmung der Massenströme integriert ist. Mit Hilfe des mindestens einen Ventils können die Massenströme gesteuert, insbesondere gedrosselt werden. Auf diese Weise können die Massenströme dem jeweiligen Bedarf optimal angepasst werden. Im Ergebnis kann somit die Effizienz der Kühlung weiter gesteigert werden. Bevorzugt ist mindestens ein Ventil im Bereich des im Gehäuse vorgesehenen Einlasses und/oder im Bereich eines Auslasses für das Kühlmedium angeordnet.
Bevorzugt sind bzw. ist der Einlass und/oder der Auslass außenumfangseitig im Gehäuse angeordnet. Dem Einlass kann auf diese Weise von außen Luft als Kühlmedium zugeführt werden, die zuvor mit Hilfe der Strömungsmaschine verdichtet worden ist. An den Auslass kann eine Leitung angeschlossen sein, über welche Kühlmedium, das die Strömungsmaschine verlässt, in Richtung Brennstoffzellen-Abgas geleitet wird. Sofern die Strömungsmaschine eine Turbine aufweist, wird vorzugsweise das Kühlmedium stromabwärts der Turbine in das Abgas eingespeist.
Vorteilhafterweise ist im Bereich des Einlasses ein Wärmetauscher, insbesondere ein Luft-Wasser-Wärmetauscher, beispielsweise ein sogenannter Pin-Fin Kühler, in das Gehäuse integriert. Mithilfe des Wärmetauschers kann das Kühlmedium, vorzugsweise Luft, vorab gekühlt werden, um die Kühlleistung zu optimieren. Alternativ zu einem integrierten Wärmetauscher kann auch ein externer Wärmetauscher zum Vorkühlen des Kühlmediums verwendet werden. In diesem Fall ist der Einlass in das Gehäuse über eine entsprechende Leitung mit dem externen Wärmetauscher verbunden.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine vorgeschlagen, mit deren Hilfe Luft verdichtet wird. Ein Teil der verdichteten Luft wird zum Kühlen der Strömungsmaschine abgezweigt und über einen Einlass in einen Kühlkanal eingeleitet, der in einem Gehäuse der Strömungsmaschine ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird die verdichtete Luft mit Hilfe eines Wärmetauschers, insbesondere eines Luft-Wasser-Wärmetauschers, gekühlt bevor sie in den Kühlkanal oder in mehrere Kühlpfade eingeleitet wird, in die sich der Kühlkanal innerhalb des Gehäuses aufteilt. Die vorgesehene Kühlung der als Kühlmedium dienenden Luft erhöht die Kühlleistung und damit die Effizienz der Kühlung. Der zum Kühlen der Luft vorgesehene Wärmetauscher kann ein in die Strömungsmaschine integrierter Wärmetauscher oder ein externer Wärmetauscher sein. Der integrierte Wärmetauscher besitzt den Vorteil, dass Leitungslängen eingespart werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere eine erfindungsgemäß ausgebildete Strömungsmaschine betrieben werden, da diese mehrere im Gehäuse ausgebildete Kühlpfade aufweist. Zudem kann eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine einen Wärmetauscher aufweisen, der in das Gehäuse integriert ist, so dass mit Hilfe dieses Wärmetauschers die vorgeschlagene Kühlung der als Kühlmedium dienenden Luft realisiert werden kann.
In Weiterbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe mindestens eines in den Kühlkanal und/oder in mindestens einen Kühlpfad integrierten Ventils eine Abstimmung der Massenströme vorgenommen wird. Die Abstimmung Massenströme ermöglicht eine bedarfsgerechte Kühlung der Strömungsmaschine.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemä-ße Strömungsmaschine, wobei lediglich die obere Hälfte der Strömungsmaschine wiedergegeben ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die dargestellte Strömungsmaschine 1 dient der Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems (nicht dargestellt). Sie umfasst eine Welle 2 und ein drehfest mit der Welle 2 verbundenes Laufrad 3. Über einen Ansaugstutzen 16 wird dem Laufrad 3 Luft zugeführt. Das Laufrad 2 wird demnach axial angeströmt. Die Luft wird über das Laufrad 3 nach radial außen geführt, wobei sie verdichtet wird.
Die Welle 2 ist über zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Radiallager 5 und zwei Axiallager 6 drehbar gelagert. Der Antrieb der Welle 2 erfolgt mit Hilfe eines Elektromotors 4. Der Elektromotor 4 wird dabei von einer Turbine 17 unterstützt, die ein mit der Welle 2 drehfest verbundenes Turbinenrad 18 umfasst. Der Elektromotor 4 weist eine Wicklung 11 und einen Permanentmagneten 15 auf. Die Wicklung 11 ist in einem Gehäuse 7 der Strömungsmaschine 1 aufgenommen. Der Permanentmagnet 15 ist in die Welle 2 integriert.
Im Betrieb der Strömungsmaschine 1 entsteht Abwärme, insbesondere im Bereich des Elektromotors 4 sowie der Radial- und Axiallager 5, 6. Der Elektromotor 4 und die Lager 5, 6 werden daher mit Hilfe eines Kühlmediums gekühlt. Als Kühlmedium wird zuvor verdichtete Luft verwendet, die stromabwärts des Laufrads 3 abgezweigt und über einen Einlass 8 einem im Gehäuse 1 ausgebildeten Kühlkanal 9 zugeführt wird. In den Kühlkanal 9 ist ein Wärmetauscher 14 zur Kühlung der Luft integriert. Über ein Ventil 12 kann die gekühlte Luft gezielt in den Kühlkanal 9 stromabwärts des Wärmetauschers 14 eingeleitet werden, der sich kurz darauf in mehrere Kühlpfade 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 aufteilt. Ein erster Kühlpfad 10.1 erstreckt sich zunächst in axialer, dann in radialer Richtung bis zu einem ersten Axiallager 6. Von dort führt der erste Kühlpfad 10.1 am Axiallager 6 vorbei nach radial außen. Der erste Kühlpfad 10.1 dient demnach der Kühlung mindestens eines Axiallagers 6. Ein zweiter Kühlpfad 10.2 führt an der Wicklung 11 des Elektromotors 4 vorbei nach radial innen bis zur Welle 2, so dass hierüber vorrangig die Wicklung 11 gekühlt wird. Im Bereich der Welle 2 teilt sich der zweite Kühlpfad 10.2 in die Kühlpfade 10.3 und 10.4 auf, die in einander entgegengesetzte axiale Richtungen bis zu den beiden Radiallagern 5 verlaufen. Der Kühlpfad 10.3 kühlt somit das linke Radiallager 5. Der Kühlpfad 10.4 kühlt das rechte Radiallager 5. Anschließend werden beide Kühlpfade 10.3, 10.4 wieder nach radial außen geführt, wobei der Kühlpfad 10.3 an dem weiteren Axiallager 6 vorbeigeführt wird. Stromabwärts des Axiallagers 6 bzw. der Axiallager 6 wird der Kühlpfad 10.3 mit dem ersten Kühlpfad 10.1 zusammengeführt, so dass die als Kühlmedium dienende Luft über einen gemeinsamen Auslass 13 aus dem Gehäuse 1 abgeführt werden kann. Die im Kühlpfad 10.4 vorhandene Luft wird über einen weiteren Auslass 13 abgeführt. Zur Steuerung der Luftmassenströme ist im Bereich dieses Auslasses 13 ein weiteres Ventil 12 vorgesehen.

Claims

Strömungsmaschine (1) zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens ein mit einer Welle (2) drehfest verbundenes Laufrad (3) sowie einen Elektromotor (4) zum Antreiben der Welle (2), wobei die Welle (2) über mindestens zwei Radiallager (5) und ein Axiallager (6) in einem Gehäuse (7) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) mindestens einen Einlass (8) für einen Kühlkanal (9) aufweist, der sich innerhalb des Gehäuses (7) in mehrere Kühlpfade (10.1, 10.2, 10.3, 10.4) aufteilt.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (9) in Strömungsrichtung stromaufwärts einer Wicklung (11) des Elektromotors (4) in mehrere Kühlpfade (10.1, 10.2) aufteilt.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (9) in Strömungsrichtung stromaufwärts der Radial- und Axiallager (5, 6) in mehrere Kühlpfade (10.3, 10.4) aufteilt.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kühlpfade (10.3, 10. 4) zumindest abschnittsweise in einander entgegengesetzte axiale Richtungen verlaufen.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kühlpfade (10.1, 10.3) innerhalb des Gehäuses (7) wieder zusammengeführt werden, vorzugsweise stromabwärts mindestens eines Axiallagers (6).
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlpfaden (10.1, 10.2, 10.3, 10.4) mindestens ein Ventil (12) zur Abstimmung der Massenströme integriert ist, wobei vorzugsweise mindestens ein Ventil (12) im Bereich des Einlasses (8) und/oder im Bereich eines Auslasses (13) angeordnet ist.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (8) und/oder der Auslass (13) außenumfangseitig im Gehäuse (7) angeordnet sind bzw. ist.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlasses (8) ein Wärmetauscher (14), insbesondere ein Luft-Wasser-Wärmetauscher, in das Gehäuse (7) integriert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine (1), mit deren Hilfe Luft verdichtet wird, wobei ein Teil der verdichteten Luft zum Kühlen der Strömungsmaschine (1) abgezweigt und über einen Einlass (8) in einen Kühlkanal (9) eingeleitet wird, der in einem Gehäuse (7) der Strömungsmaschine (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Luft mit Hilfe eines Wärmetauschers (14), insbesondere eines Luft-Wasser-Wärmetauschers, gekühlt wird, bevor sie in den Kühlkanal (9) oder in mehrere Kühlpfade (10.1, 10.2, 10.3, 10.4) eingeleitet wird, in die sich der Kühlkanal (9) innerhalb des Gehäuses (7) aufteilt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe mindestens eines in den Kühlkanal (9) und/oder in mindestens einen Kühlpfad (10.4) integrierten Ventils (12) eine Abstimmung der Massenströme vorgenommen wird.