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Die Erfindung betrifft einen Luftverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einem Diffusor und einer Verdichtervolute, die einen Strömungskanal für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist.
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Der Luftverdichter ist vorzugsweise elektrisch angetrieben und dient in einem Brennstoffzellensystem zur Versorgung mindestens einer Brennstoffzelle mit Luft.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 212 815 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und einer Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Turbomaschine mit einem Laufrad aufweist, das als Verdichter ausgeführt ist, der in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei, um die Kühlung der Turbomaschine zu optimieren, nicht bereits erwärmte, verdichtete Luft vom Laufrad verwendet wird, sondern aus der entgegengesetzten Richtung gekühlte, unverdichtete Luft angesaugt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Luftverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einem Diffusor und einer Verdichtervolute, die einen Strömungskanal für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist, funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Luftverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einem Diffusor und einer Verdichtervolute, die einen Strömungskanal für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist, dadurch gelöst, dass die Verdichtervolute eine Kühlluftabführung aufweist, über die eine Kühlluftströmung von der Luftströmung in der Verdichtervolute abgezweigt wird. Bei dem Luftverdichter handelt es sich um einen elektrisch angetriebenen Luftverdichter, der in einem Brennstoffzellensystem zur Versorgung mindestens einer Brennstoffzelle mit Luft dient. Im Betrieb des Luftverdichters wird das Verdichterrad durch einen Elektromotor angetrieben. Mit Hilfe des angetriebenen Verdichterrads wird Luft, zum Beispiel aus der Umgebung, angesaugt. Die angesaugte Luft gelangt über den Diffusor in die Verdichtervolute, wo der Druck konstruktionsbedingt zunimmt. Über die Kühlluftabführung an der Verdichtervolute kann vorteilhaft verdichtete Luft von der Luftströmung abgezweigt werden. So kann an einem Kühlereintritt ein vorteilhaft großer Druck zur Verfügung gestellt werden. Die abgezweigte Kühlluftströmung kann in einem Kühler, der als Wärmetauscher ausgeführt ist, abgekühlt werden. Als Kühlmedium wird zum Beispiel Kühlwasser eines Stator-Kühlers verwendet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftabführung mindestens einen Kühlluftkanal aufweist, der von der Verdichtervolute ausgeht. Durch das höhere Druckpotential in der Verdichtervolute kann vorteilhaft mehr Kühlluft gefördert werden als bei herkömmlichen Luftverdichtern.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal von einem Austrittsabschnitt der Verdichtervolute ausgeht. Die Verdichtervolute umfasst zum Beispiel einen Rotationsraum, der im Wesentlichen spiralförmig oder schneckenförmig gestaltet ist. Über den Austrittsabschnitt kann die verdichtete Luft vorteilhaft zu Kühlzwecken abgezweigt werden, ohne den Wirkungsgrad des Luftverdichters unerwünscht zu verringern. Der Austrittsabschnitt wird auch Austrittsdiffusor genannt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal näher bei einer Verzweigung als bei einem Ende des Austrittsabschnitts der Verdichtervolute angeordnet ist. An der Verzweigung endet der Rotationsraum der Verdichtervolute. Am Ende des Austrittsabschnitts tritt die verdichtete Luftströmung aus. Die Nähe der Kühlluftabführung zu der Verzweigung liefert unter anderem den Vorteil, dass die Luftströmung durch die Verdichtervolute nicht oder nur unwesentlich ungünstig beeinflusst wird. Die Verzweigung wird auch als Zunge bezeichnet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal entlang einer Drallströmung durch die Verdichtervolute in dem Austrittsabschnitt ausgerichtet ist. So kann vorteilhaft die vorhandene Drallströmung für die Kühlluftabführung genutzt werden, und zwar besonders vorteilhaft mit keiner oder nur einer geringen negativen Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Luftverdichters.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal als Bohrung in dem Austrittsabschnitt der Verdichtervolute ausgeführt ist. Die Bohrung ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig darstellbar.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des Kühlluftkanals mit einer Hilfslinie, die sich parallel zur Drehachse des Verdichterrads durch einen Querschnitt des Austrittsabschnitts erstreckt, einen spitzen Austrittswinkel einschließt. Es hat sich im Hinblick auf die Luftströmung der Verdichtervolute als besonders vorteilhaft erwiesen, den Kühlluftkanal im Wesentlichen radial nach innen auszurichten. Besonders vorteilhaft mündet der Kühlluftkanal in einen Ringkanal. Dadurch werden auf einfache Art und Weise unterschiedliche Einbaulagen der Verdichtervolute ermöglicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittswinkel größer als zwanzig Grad und kleiner als fünfzig Grad ist. Dadurch wird erreicht, dass die Drallströmung möglichst verlustarm in den Kühlluftkanal einströmen kann.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftabführung mehrere Kühlluftkanäle aufweist, die von der Verdichtervolute ausgehen und gleiche Kanaldurchmesser aufweisen. So kann vorteilhaft der gleiche Bohrer für die Realisierung von mehreren Kühlluftkanälen in der Verdichtervolute genutzt werden. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung des Luftverdichters.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verdichtergehäuse, insbesondere eine Verdichtervolute, für einen vorab beschriebenen Luftverdichter. Das Verdichtergehäuse, insbesondere die Verdichtervolute, ist separat handelbar.
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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.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Luftverdichters mit einer Verdichtervolute, die eine Kühlluftabführung aufweist;
- 2 die Darstellung eines Strömungsnegativs einer Luftströmung durch ein Verdichtergehäuse des Luftverdichters aus 1;
- 3 eine teilweise transparente Darstellung des Luftverdichters aus 1 mit drei Strömungspfaden einer Kühlluftströmung, die entlang einer Drallströmung durch die Verdichtervolute ausgerichtet ist; und
- 4 die Darstellung eines Schnitts durch das in 2 dargestellte Strömungsnegativ, um Austrittswinkel zwischen Strömungspfaden und einer Hilfslinie zu veranschaulichen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Der Luftverdichter 1 in 1 umfasst ein Verdichterrad 2, das um eine Drehachse drehbar in einem Verdichtergehäuse 3 angeordnet ist. Der Antrieb für das Verdichterrad 2 umfasst zum Beispiel einen Elektromotor.
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Das Verdichtergehäuse 3 umfasst einen Diffusor 4, der radial außerhalb des Verdichterrads 2 innerhalb einer Verdichtervolute 5 angeordnet ist. Die Verdichtervolute 5 ist mit einem Durchgangsloch 6 ausgestattet, das zur Darstellung einer Kühlluftabführung 10 an der Verdichtervolute 5 dient.
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Das Durchgangsloch 6 zur Darstellung der Kühlluftabführung 10 ist in einem Austrittsabschnitt 9 der Verdichtervolute 5 angeordnet. Der Austrittsabschnitt 9 geht von einem schneckenartigen oder spiralförmigen Rotationsraum 8 der Verdichtervolute 5 aus.
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In den 2 und 4 ist ein Strömungsnegativ einer Luftströmung durch die Verdichtervolute 5 des Verdichtergehäuses 3 aus 1 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Kühlluftabführung 10 umfasst drei Kühlluftkanäle 11, 12, 13, die als Bohrungen in einem Gehäusematerial ausgeführt sind, das zur Darstellung des Verdichtergehäuses 3 mit der Verdichtervolute 5 dient.
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Die Kühlluftkanäle 11, 12 und 13 haben alle den gleichen Durchmesser und erstrecken sich parallel zueinander. Die Kühlluftkanäle 11 bis 13 erstrecken sich in 2 von dem Austrittsabschnitt 9 schräg nach unten. Ein Abstand der Kühlluftkanäle 11, 12, 13 von einer Verzweigung 14 ist deutlich kleiner als ein Abstand zwischen den Kühlluftkanälen 11, 12, 13 und einem Ende 15 des Austrittsabschnitts 9 der Verdichtervolute 5.
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In 3 ist das Verdichtergehäuse 3 mit der Verdichtervolute 5 und dem Austrittsabschnitt 9 teilweise transparent dargestellt, um eine Kühlluftströmung 20 zu veranschaulichen, die von einer durch das sich drehende Verdichterrad 2 erzeugten Luftströmung in dem Verdichtergehäuse 3 abgezweigt wird. Durch die Gestalt der Verdichtervolute 5 ergibt sich eine Drallströmung 24, die sich aufgrund der Gestaltung und Anordnung der Kühlluftkanäle 11 bis 13 in drei Strömungspfade 21, 22, 23 aufteilt.
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In dem Schnitt durch das Strömungsnegativ in 4 ist eine Hilfelinie 34 eingezeichnet, die parallel zu der Drehachse des Verdichterrads angeordnet ist. Ein Austrittswinkel 35 zwischen der Hilfslinie 34 und dem Strömungspfad 21 der abgezweigten Kühlluftströmung hat ein Gradmaß von fünfundzwanzig Grad. Ein Austrittswinkel 36 zwischen der Hilfslinie 34 und dem Strömungspfad 23 der Kühlluftströmung hat ein Gradmaß von vierzig Grad.
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Die über die Strömungspfade 21 bis 23 abgezweigte Kühlluftströmung wird vorteilhaft einem Ringkanal zugeführt. Von dem Ringkanal wird die abgezweigte Kühlluft dann zum Beispiel dem Kühler zugeführt, der in den Luftverdichter 1 integriert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212815 A1 [0003]
