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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. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter.
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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 gasförmige Medium aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das gasförmige Medium über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Nachdem das gasförmige Medium durch eine Brennstoffzelle geströmt ist, wird es über eine Rückführleitung zurück zum Seitenkanalverdichter und/oder einer Strahlpumpe 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 2019 214 279 A1 ist ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, 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 und somit drehbar um eine Drehachse angeordnet ist. Weiterhin weist der Seitenkanalverdichter einen in dem Gehäuse befindlichen Verdichterraum auf, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal aufweist. Das Verdichterrad weist dabei an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums angeordnete Förderzellen auf, insbesondere einseitig oder beidseitig axial in Richtung der Drehachse. Im Gehäuse ist zudem jeweils eine Gas-Einlassöffnung und eine Gas-Auslassöffnung angeordnet, die über den mindestens einen Seitenkanal fluidisch miteinander verbunden sind. Zudem weist der Seitenkanalverdichter zwei Wälzlager auf, mittels denen die Antriebswelle im Gehäuse gelagert ist.
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Der aus der
DE 10 2019 214 279 A1 bekannte Seitenkanalverdichter kann gewisse Nachteile aufweisen. Aufgrund der Lagerung des Verdichterrads mittels der Wälzlager entstehen mechanische Reibungsverluste, die insbesondere zu einem erhöhten Wärmeverlust führen kann. Dabei kann der Seitenkanalverdichter auch aufgrund der hohen Temperaturentwicklung der Wälzlager geschädigt werden. Dabei können beispielsweise Dichtungen für die Gleitmittel porös werden oder Gleitmittel für die Wälzlager kann ausgespült werden, was zu einer Schädigung der Wälzlager führen kann. Zudem kann es bei den hohen Drehzahlen des Seitenkanalverdichters, insbesondere in einem Bereich von über 10 000 Umdrehungen pro Minute oder beispielsweise 30 000 Umdrehungen pro Minute, zu einer derart starken Abnutzung und/oder einem Verschleiß der Lager kommen, dass diese Versagen und defekt sind, lange vor dem Ende der Gesamtlebensdauer des Gesamtfahrzeugs und/oder des Brennstoffzellensystems. Des Weiteren benötigen die Wälzlager zur Vermeidung eines Versagens regelmäßige Wartung und/oder Schmierung, was die Betriebskosten und Wartungskosten erhöht und so verringerten Serviceintervallen des Gesamtfahrzeugs und/oder des Brennstoffzellensystems führen kann. Weiterhin kann es aufgrund der in Kontakt miteinander stehenden Berührflächen der Wälzlager zu einem Materialabtrag oder Auslaufen des Schmiermittels der Lager kommen und somit zu einer Verschmutzung des Wasserstoffs im Seitenkanalverdichters, wodurch ein Brennstoffzellenstack aufgrund der anfälligen und empfindlichen Oberflächen geschädigt werden kann. Zudem kann sich der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters verringern, aufgrund der mechanischen Reibung der Wälzlager.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem vorge schlagen, zum Fördern und/oder Verdichten von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff. Dabei weist der Seitenkanalverdichter ein Gehäuse auf, mit einem in dem Gehäuse befindlichen Verdichterraum, der mindestens einen umlaufende Seitenkanal aufweist, mit einem in dem Gehäuse befindlichen Verdichterrad, das auf einer um eine Drehachse drehbaren Antriebswelle angeordnet ist und durch einen Antrieb angetrieben wird. Es kann sich dabei ein erster Seitenkanal und ein zweiter Seitenkanal im Gehäuse befinden. Das Verdichterrad weist an seinem Umfang im Bereic des Verdichterraums angeordnete Förderzellen auf und darüber hinaus weist es jewei eine am Gehäuse ausgebildete Gas-Einlassöffnung und eine Gas-Auslassöffnung auf Diese beiden Öffnungen sind über den Verdichterraum insbesondere zwei Seitenkanäle, fluidisch miteinander verbunden.
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist der Seitenkanalverdichters derart ausgebildet, dass die Antriebswelle mittels mindestens zwei magnetischer Lager im Seitenkanalverdichter, insbesondere im Gehäuse des Seitenkanalverdichters gelagert ist. Auf diese Weise kann eine Entwicklung von hohen Temperaturen im Betrieb in den Lagern vermieden, da die Magnetlager im Gegensatz zu Wälzlager oder Gleitlagern zumindest nahezu reibungsfrei laufen. Es gibt somit keine mechanischen Reibungsverluste, dadurch wird die Effizienz des Antriebs gesteigert und zumindest nahezu keine Abwärme aus der Lagerung produziert, die beispielsweise den Seitenkanalverdichter schädigen könnte. Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Ausprägung des Seitenkanalverdichters den Vorteil, dass aufgrund des reibungsfreien und/oder nahezu berührungsfreien Laufs der Magnetlager keine Verschmutzung des Brennstoffzellensystems und des Brennstoffzellensystems aufgrund von Reibpartikeln auftritt, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlich des Brennstoffzellenstacks und/oder des Brennstoffzellensystems reduzieren lässt. Zudem können die eingesetzten Magnetlager auch bei sehr hohen Drehzahlen von weit über 30 000 Umdrehungen betrieben werden, beispielsweise bei 100 000 Umdrehungen pro Minuten, ohne dass dies die Lebensdauer der Lager und/oder somit des Seitenkanalverdichters verkürzt beziehungsweise die Ausfallwahrscheinlichkeit erhöht. Somit lässt sich eine bessere Skalierbarkeit des Seitenkanalverdichters für unterschiedliche Anforderungsprofile erzielen. Des Weiteren benötigen die Magnetlager über den Lebenszyklus des Gesamtfahrzeugs keine regelmäßige Wartung und/oder Schmierung, was die Betriebskosten und Wartungskosten reduziert und wodurch somit die Betriebskosten reduziert werden können. Zudem kann mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters dessen Wirkungsgrad erhöht werden, aufgrund der geringeren Reibungsverluste der Magnetlager.
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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 des Seitenkanalverdichters befindet sich mindestens ein magnetisches Radiallager auf der Antriebswelle, wobei das jeweilige Radiallager einen rotierenden Lagerinnenring und einen feststehenden Lageraußenring aufweist. Auf diese Weise kann der Lagerinnenring derart mit der Antriebswelle verbunden werden, dass der jeweilige Lagerinnenring radial an der Antriebswelle fixiert ist und mit dieser in einer Rotationsbewegung im Betrieb versetzt wird. Die Drehzahl des Lagerinnenrings entspricht dabei der Drehzahl der Antriebswelle, da diese drehfest miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann eine kompakte Bauform des Seitenkanalverdichters und des mindestens einen magnetischen Radiallager herbeigeführt werden. Zudem kann auf diese Weise eine mechanische Trennung der Bauteile Lagerinnenring und Lageraußenring erzielt werden kann. Somit kann eine zumindest nahezu reibungsfreie Lagerung herbeigeführt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters erhöhen lässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist mittels einer Bestromung des jeweiligen Lageraußenrings, der insbesondere elektromagnetische Wicklungen aufweist, das jeweilige magnetische Lager aktivieren lässt, wobei der jeweilige Lagerinnenring zumindest teilweise magnetisches Material aufweist. Auf diese Weise lässt sich mittels einer Bestromung des Lageraußenrings eine Ansteuerung des magnetischen Lageraußenrings derart erfolgt, dass dieser derart magnetisch im Lageraußenrings gehalten wird, insbesondere mittels Magnetkräften, dass dieser als berührungsloses Magnetlager ausgeführt ist. Zudem kann dabei mittels einer Bestromungsstärke des Lageraußenrings eine benötigte Lagerkraft entsprechend der Anforderungen aus dem Betrieb einer Brennstoffzelle oder des Seitenkanalverdichters angepasst werden kann. Somit lässt sich die Ausfahlwahrscheinlichkeit der Magnetlagerung und des Seitenkanalverdichters herbeigeführt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Magnetlager radial kann auch als Permanentmagnet ausgeführt sein, je nach benötigter Magnetkraft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters weist der Antrieb einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Stator und der Rotor ringförmig umlaufend um die Drehachse ausgebildet sind und der Stator einen größeren Durchmesser als der Rotor aufweist wobei der Stator den Rotor auf dessen der Drehachse abgewandten Oberfläche umschließt. Auf diese Weise kann eine kompakte Bauform des Antriebs herbeigeführt werden, wobei sich gleichzeitig eine mechanische Trennung des Rotors und des Stators herbeigeführt werden kann, wobei der Rotor derart mit der Antriebswelle verbunden ist dass der Rotor radial und drehfest an der Antriebswelle fixiert ist und wobei ein Drehmoment auf die Antriebswelle übertragen werden kann und diese in Rotationsbewegung versetzt werden kann.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters befindet sich ein magnetisches Axiallager an der Antriebswelle befindet, wobei das magnetische Axiallager mittels eines Permanentmagneten und/oder mittels eines Elektromagneten aktivierbar ist, wobei insbesondere das magnetische Axiallager die Antriebswelle mit einer in Richtung der Drehachse wirkende Vorspannkraft beaufschlagt. Dabei wird die Lagervorspannkraft axial zur Drehachse auf die Antriebswelle derart übertragen, dass eine axiale Fixierung der Antriebswelle mittels des magnetischen Axiallagers erfolgt und die Antriebswelle somit in Richtung der Längsachse derart fixiert wird, dass eine Kollision der Antriebswelle und/oder des auf der Antriebswelle fixierten Verdichterrads mit Bauteilen des Gehäuses verhindert wird. Dabei kann eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters verhindert werden. In vorteilhafterweise kann das magnetische Axiallager mittels eines Permanentmagneten aktivierbar sein, wobei auf diese Weise auch bei einem Stromausfall des Seitenkanalverdichters und/oder des Brennstoffzellensystems gewährleistet werden, dass das magnetische Axiallager aktiviert ist. Das magnetische Axiallager kann in einer beispielhaften Ausführungsform dabei im Betrieb des Seitenkanalverdichters einer auf das Verdichterrad wirkende Druckkraft aus dem ersten Seitenkanal entgegenwirken. Dies verbessert die Lagerungseigenschaften der Antriebswelle und/oder des Verdichterrads, so dass eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters reduziert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters ist die Antriebswelle mittels mindestens zwei Fanglagern im Seitenkanalverdichter, insbesondere im Gehäuse des Seitenkanalverdichters, gelagert. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass beim Start und/oder Anfahren und/oder Herunterfahren des Seitenkanalverdichters ohne Bestromung der Magnetlager, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Antriebswelle und des Verdichterrads beispielsweise unterhalb von 1000 Umdrehungen pro Minute, das die Antriebswelle nicht durch die Magnetlager gelagert ist, sondern in mechanischen Kontakt mit den Fanglagern steht und mittels der Fanglager eine radiale und/oder axiale Führung der Antriebswelle und somit des Verdichterrads erfolgt, so dass es zu keiner Beschädigung dieser Bauteile aufgrund einer Kollision mit dem Gehäuse kommt. Da die Fanglager nur über einen geringen Betriebszeitraum des Seitenkanalverdichters, insbesondere Start und Herunterfahren, im Einsatz sind, können diese relativ klein dimensioniert werden, wodurch sich eine kompakte Bauform der Lagerung herstellen lässt. Die Fanglager werden dabei ab einer bestimmten Drehzahl, beispielsweise 1000 Umdrehungen pro Minute, aus dem mechanischen Eingriff mit der Antriebswelle genommen und/oder es gibt ab dieser Drehzahl keinen berührenden Kontakt mehr, insbesondere sobald die magnetischen Radiallager die Antriebswelle axial zur Drehachse lagern, indem diese aktiviert werden. Auf diese Weise wird ein verschleißarmer Betrieb des Seitenkanalverdichters auch bei häufigem Anfahren und Herunterfahren des Seitenkanalverdichters, beispielsweise wenn das Gesamtfahrzeug häufig kurze Strecken zurücklegt. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters reduziert werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters befindet sich eine Isolationsschicht zwischen dem jeweiligen Lagerinnenring und dem jeweiligen Lageraußenring und/oder zwischen dem Stator und dem Rotor, wobei die Isolationsschicht elastisch ist und/oder zumindest nahezu keine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine fluidische Kapselung und/oder elektrische Trennung der nicht-stromführenden Bauteile von den stromführenden Bauteilen erfolgt. Auf diese Weise lässt sich zum einen der Vorteil erzielen, dass die stromführenden Bauteile des Stators vom das gasförmige Medium führende Bereich getrennt sind. Dabei wird insbesondere ein Eindringen vom gasförmigen Medium, welches sich aus Wasserstoff und/oder Wasser und/oder Stickstoff zusammensetzen kann, aus dem Bereich des Verdichterraums des Seitenkanalverdichters in den Bereich des Stators und angrenzender Bauteile des Antriebs mittels der Isolationsschicht, die beispielsweise als Kapselungs-Element ausgebildet ist verhindert. Dabei ist die Isolationsschicht derart zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet, um eine Medientrennung zwischen dem Stator und Rotor zu bewirken. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Isolationsschicht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material besteht, so dass eine Übertragung von Elektrizität seitens der stromführenden Bauteile Stator und/oder jeweiliger Lageraußenring auf die Bauteile Rotor und/oder Lagerinnenring und/oder Antriebswelle verhindert, wodurch das Risiko eines Funkenschlags im Bereich des Seitenkanalverdichters, der das gasförmigen Mediums aufweist, insbesondere der Verdichterraum, verhindert wird. Somit kann eine Schädigung des Seitenkanalverdichters aufgrund von sich entzündendem Wasserstoff mit Sauerstoff mittels Funkenschlag im gasförmigen Medium verhindert werden, aufgrund des Einsatzes der Isolationsschicht. Aufgrund der elastischen Materialeigenschaften kann die Isolationsschicht zudem Relativbewegungen der Bauteile des Gehäuses und/oder Antriebs und/oder jeweiligen Lagers verhindern, beispielsweise beim Durchlaufen eines Temperaturbereichs und unterschiedlicher Längenausdehnungsfaktoren der Bauteile. Zudem kann die Anordnung der Isolationsschicht in einer kompakten Bauweise umgesetzt werden, so dass keine oder nur minimale konstruktive Änderungen an dem Antrieb und/oder der Lagerung und/oder dem Seitenkanalverdichter vorgenommen werden müssen. Dabei kann die erfindungsgemäße und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in einer kostengünstigen Weise umgesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters befindet sich das magnetische Radiallager auf der dem Verdichterrad zugewandten Seite des Antriebs und es befindet sich ein weiteres magnetisches Radiallager auf der dem Verdichterrad abgewandten Seite des Antriebs, insbesondere auf der Antriebswelle. Auf diese Weise lässt sich eine kompakte Bauform des Seitenkanalverdichters erzielen mittels einer derartigen Anordnung der Bauteile magnetische Radiallager und Antrieb. Zudem kann eine Taumelbewegung der Antriebswelle und/oder des Verdichterrad aufgrund einer entsprechenden Anordnung der magnetischen Radiallager besser mittels der magnetischen Lager verhindert und/oder ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters aufgrund einer Kollision des Verdichterrads mit dem Gehäuse und einer resultierenden Schädigung der Bauteile reduziert werden wodurch sich die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters erhöhen lässt-
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters weist dieser ein Heizelement auf, wobei sich das Heizelement im Innenraum des Gehäuses und/oder an einer Oberfläche des Gehäuses befindet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass ein schnelles Aufheizen des erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters erfolgen kann, insbesondere im Rahmen einer Kaltstartprozedur. Bevor der Seitenkanalverdichters bei niedrigen Temperaturen in Betrieb genommen wird, wird das Heizelement mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, versorgt, wobei das Heizelement diese Energie in Wärme und/oder Heizenergie umwandelt. Dieser Prozess wird in vorteilhafter Weise durch die geringe spezifische Wärmekapazität von den Bauteilen des Seitenkanalverdichters unterstützt, mittels derer die Wärmeenergie zu den beweglichen Bauteilen, wie beispielsweise dem Verdichterrad vordringen kann und vorhandene Eisbrücken beseitigt. Zudem kann die Heizenergie bei einem Kaltstartvorgang in kurzer Zeit nach dem Einschalten des Heizelements zu sich bewegenden Teilen und/oder Teilen vordringen, die im Betrieb des Seitenkanalverdichters durch Eisbrücken beschädigt werden können. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund einer Beschädigung der Bauteile des Seitenkanalverdichters reduziert werden. Auf diese Weise lässt sich die Kaltstartfähigkeit des Seitenkanalverdichters und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessern, da die Eisbrücken schneller aufgetaut und beseitigt werden können
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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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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter,
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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 erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Der Seitenkanalverdichter 1 weist dabei ein Verdichterrad 2 auf, das 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 6 des Verdichterrads 2. Das Gehäuse 3 umfasst ein Gehäuse-Oberteil 7 und/oder ein Gehäuse-Unterteil 8 und/oder ein Antriebsgehäuse 10, die miteinander verbunden sind, beispielsweise mittels einer Verschraubung. Des Weiteren ist das Verdichterrad 2 drehfest auf einer Antriebswelle 9 angeordnet und wird vom Gehäuse-Oberteil 7 und/oder vom Gehäuse-Unterteil 8 und/oder vom Antriebsgehäuse 10 umschlossen. Des Weiteren bildet das Verdichterrad 2 an seinem äu-ßeren Umfang Förderzellen 26 aus. Diese Förderzellen 26 des Verdichterrads 2 verlaufen umlaufend um die Drehachse 4 in einem umlaufenden Verdichterraum 30 des Gehäuses 3, wobei das Verdichterrad 2 und/oder die Förderzelle 26 symmetrische entlang einer Symmetrieachse 48 verlaufen, wobei die Symmetrieachse 48 orthogonal zur Drehachse 4 angeordnet ist. Vom Antrieb 6 wird ein Drehmoment über die Antriebswelle 9 auf das Verdichterrad 2 übertragen. Dabei wird das Verdichterrad 2 in Rotationsbewegung versetzt und die Förderzelle 26 bewegt sich in einer Rotationsbewegung umlaufend um die Drehachse 4 durch den Verdichterraum 30 im Gehäuse 3 in Richtung einer Strömungsrichtung. Zudem verläuft in Richtung der Drehachse 4 neben der Förderzelle 26 ein erster Seitenkanal 19 und/oder ein zweiter Seitenkanal 21. Der erste Seitenkanal 19, der zweite Seitenkanal 21 und der Verdichterraum 30 verlaufen ringförmig um die Drehachse 4. Der jeweilige Seitenkanal 19, 21 kann dabei zumindest in einem Teilbereich des Gehäuses 3 umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen, wobei in dem Teilbereich, in dem zumindest der erste Seitenkanal 19 im Gehäuse 3 nicht ausgebildet ist, ein Unterbrecher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist, insbesondere zwischen einer Gas-Einlassöffnung 14 und einer Gas-Auslassöffnung 16.
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In 1 ist zudem gezeigt, dass sich ein schon im Verdichterraum 30 befindliches gasförmiges Medium durch die Förderzelle 26 mitbewegt und dabei gefördert und/oder verdichtet wird. Zudem findet eine Bewegung des gasförmigen Mediums, insbesondere ein Strömungsaustausch, zwischen der Förderzelle 26 und dem ersten Seitenkanal 19 und/oder dem zweiten Seitenkanal 21 statt. Dabei bildet sich, insbesondere durch die Ausformung des Verdichterrads 2 und/oder des jeweiligen Seitenkanals 19, 21 eine Zirkulationsströmung aus. Des Weiteren strömt das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein unverbrauchtes Rezirkulationsmedium aus einer Brennstoffzelle 32 handelt, über eine erste Rückführleitung 23a (gezeigt in 2) und der Gas-Einlassöffnung 14 in den Verdichterraum 30 des Seitenkanalverdichters 1 ein und/oder wird angesaugt. Zudem sind der Verdichterraum 30 und/oder der erste Seitenkanal 19 und/oder der zweite Seitenkanal 21 an fluidisch mit der Gas-Einlassöffnung 14 und der Gas-Auslassöffnung 16 verbunden. Die Gas-Auslassöffnung 16 mündet dabei in einen weiteren Bereich einer zweiten Rückführleitung 23b, wobei diese zweite Rückführleitung 23b mit der Brennstoffzelle 32 und/oder einer Strahlpumpe 41 verbunden.
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Des Weiteren zeigt 1, dass die Antriebswelle 9 mittels mindestens zwei magnetischer Lager 15, 18 im Seitenkanalverdichter 1, insbesondere im Gehäuse 3 des Seitenkanalverdichters 1 gelagert ist. Dabei befindet sich mindestens ein magnetisches Radiallager 18 auf der Antriebswelle 9, wobei das mindestens eine Radiallager 18 jeweils einen rotierenden Lagerinnenring 25 und einen feststehenden Lageraußenring 27 aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, weist der Seitenkanalverdichter 1 ein erstes magnetisches Radiallager 18a und ein zweites magnetisches Radiallager 18b auf. Dabei lässt sich mittels einer Bestromung des jeweiligen Lageraußenrings 27, der insbesondere elektromagnetische Wicklungen aufweist, das jeweilige magnetische Lager 18 aktivieren, wobei der jeweilige Lagerinnenring 25 zumindest teilweise magnetisches Material aufweist. Des Weiteren weist der Antrieb 6 einen Stator 17 und einen Rotor 12 aufweist, wobei der Stator 17 und der Rotor 12 ringförmig umlaufend um die Drehachse 4 ausgebildet sind und der Stator 17 einen größeren Durchmesser als der Rotor 12 aufweist wobei der Stator 17 den Rotor 12 auf dessen der Drehachse 4 abgewandten Oberfläche umschließt.
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Des Weiteren zeigt 1, dass sich ein magnetisches Axiallager 15 an der Antriebswelle 9 befindet, wobei das magnetische Axiallager 15 mittels eines Permanentmagneten und/oder mittels eines Elektromagneten aktivierbar ist, wobei insbesondere das magnetische Axiallager 15 die Antriebswelle 9 mit einer in Richtung der Drehachse 4 wirkenden Vorspannkraft beaufschlagt. Dieser Vorspannkraft entgegenwirken kann eine Druckkraft, welche über das Verdichterrad 2 auf die Abtriebswelle 9 wirkt. im Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 eine höhere Druckkraft im ersten Seitenkanal 19 im Vergleich zum zweiten Seitenkanal 21 ausbildet, die eine in Richtung der Drehachse 4 wirkende resultierende Kraft auf das Verdichterrad 2 und die Antriebswelle 9 und die der Lagerkraft des magnetische Axiallagers 15 entgegengesetzt wirkt. Somit kann die Antriebswelle 9 mittels der Vorspannkraft und Druckkraft, die beide zumindest nahezu parallel zur Drehachse 4 wirken, axial zur Drehachse 4 gelagert werden.
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Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass die Antriebswelle 9 mittels mindestens zwei Fanglagern 13 im Seitenkanalverdichter 1, insbesondere im Gehäuse 3 des Seitenkanalverdichters 1 gelagert ist. Die Fanglager 13, die insbesondere als Anlauflager 13 ausgeführt sind, insbesondere dazu verwendet werden, die Antriebswelle 9 bei niedrigen Drehzahlen des Seitenkanalverdichters 1, insbesondere unterhalb von 1000 Umdrehungen pro Minute, zu lagern. Dies gilt bei einem Stilstand des Seitenkanalverdichters 1, aber auch bei einem Anlaufphase und/oder Abschaltphase des Seitenkanalverdichters 1 während das jeweilige magnetische Radiallager 18 eine Lagerungsfunktion nicht ausführen kann, da das jeweilige magnetische Radiallager 18 erst ab einer bestimmten Drehzahl der Abtriebswelle 9 eine Lagerkraft erzeugen. Dabei müssen die magnetischen Radiallager 18 bestromt werden um die entsprechende Lagerkraft, insbesondere eine Radialkraft, auf die Antriebswelle 9 ausüben zu können. Die Fanglager 13 werden aufgrund ihrer konstruktiven Ausführung automatisch, insbesondere aufgrund von Fliehkräften und/oder bei einer Aktivierung der magnetischen Radiallager 18 ab einer bestimmten Drehzahl der Antriebswelle 9, insbesondere oberhalb von 1000 Umdrehungen pro Minute aus dem Eingriff mit der Antriebswelle 9 genommen, und drehen nicht mehr mit, so dass die Fanglager 13 wieder zum Stillstand kommen. Dabei entwickeln die Fanlager 13 im Betrieb zumindest nahezu keine Wärme und können mit einem kleinen Durchmesser ausgeführt werden, der dem Außendurchmesser der Antriebswelle 9 oder einem kleineren Durchmesser entspricht.
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In 1 ist zudem gezeigt, dass sich die Lager 13, 15, 18 in einem Innenraum des Antriebsgehäuses 10 angeordnet sind. Dabei befindet sich eine Isolationsschicht 11 zwischen dem jeweiligen Lagerinnenring 25 und dem jeweilige Lageraußenring 27 und/oder zwischen dem Stator 17 und dem Rotor 12 angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht 11 elastisch, kann aber doch ein Thermoplast sein, der ist eher hart ist und/oder zumindest nahezu keine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die Isolationsschicht 11 kann zudem als eine Umspritzung 11 der Bauteile Stator 17 und/oder jeweiliger Lageraußenring 27 ausgeführt sein, die diese Bauteile 17, 27 zumindest nahezu vollständig umschließt und/oder fluidisch kapselt. Zudem kann der Seitenkanalverdichter 1 ein Heizelement 20 aufweisen, wobei sich das Heizelement 20 im Innenraum des Gehäuses 3 und/oder an einer Oberfläche des Gehäuses 3 befindet. Auf diese Weise lässt sich der Seitenkanalverdichter 1 vor oder während einer Kaltstartprozedur, insbesondere nach einer längeren Standzeit des Gesamtfahrtzeugs von mehreren Stunden oder Tagen bei Außen-Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes unterhalb von 0°C, zusätzlich erwärmen, so dass möglicherweise vorhandene Eisbrücken im Bereich der beweglichen Bauteile aufgeschmolzen und aus dem Seitenkanalverdichter 1 abgeführt werden können, bevor die Bauteile beschädigt werden. Aufgrund der Elastizität der Isolationsschicht 11 kann der Vorteil erzielt werden, dass es zu keiner Verspannung und/oder einer Berührung der Bauteile jeweiliger Lageraußenring 27 und Stator 17 untereinander kommt, trotz eines unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dies ist insbesondere beim Durchlaufen eines breiten Temperaturbereichs zwischen -40°C und 100°C. Dabei kann eine Ausdehnung der Bauteile, insbesondere axial zur Drehachse 4, mittels der elastischen Isolationsschicht 11 ausgeglichen werden, indem sich die Isolationsschicht 11 in diesem Bereich zusammendrücken lässt. Somit lässt sich eine Schädigung der Bauteile aus dem metallischen Werkstoff verhindern, wodurch sich Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer des Seitenkanalverdichters 1 erhöhen lässt, auch beim Durchlaufen eines weiten Temperaturbereichs. Eine zusätzliche Kapselung der Bauteile jeweiliger Lageraußenring 27 und Stator 17 kann durch den Einsatz von mindestens einer Dichtung 29 erzielt werden.
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In einer möglichen beispielhaften Konfiguration des Seitenkanalverdichter 1 befindet sich jeweils ein magnetisches Radiallager 18a auf der dem Verdichterrad 2 zugewandten Seite des Antriebs 6. Des Weiteren befindet sich ein weiteres magnetisches Radiallager 18b auf der dem Verdichterrad 2 abgewandten Seite des Antriebs 6, insbesondere auf der Antriebswelle 9. Das Antriebsgehäuse 10 kann an seiner Oberfläche Kühlrippen aufweisen, die eine verbesserte Abführung der Wärmeenergie in eine Umgebung 44 (gezeigt in 2) bewirken.
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In 1 ist darüber hinaus gezeigt, dass der Rotor 12 und/oder der jeweilige Lagerinnenring 25 kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Antriebswelle 9 verbunden ist, insbesondere mittels eines Pressverbands.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und dem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter 1.
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In 2 ist dabei eine beispielhafte Ausführungsform des Brennstoffzellen-Systems 31 dargestellt, insbesondere eines Anodenkreislaufs. Dabei ist gezeigt, dass die Strahlpumpe 41 über eine Verbindungsleitung 24 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden ist, die einen Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine erste Rückführleitung 23a vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 mit dem Seitenkanalverdichter 1 verbindet, insbesondere mit der Gas-Einlassöffnung 14. Zudem ist der Seitenkanalverdichter 1 mit einer zweiten Rückführleitung 23b mit der Strahlpumpe 41 verbunden. Dabei verbindet die zweite Rückführleitung 23b die Gas-Auslassöffnung 16 des Seitenkanalverdichters 1 mit einem ersten Zulauf 28 der Strahlpumpe 41 verbunden.
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Mittels der jeweiligen Rückführleitung 23a, b kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 32 nicht verwertete erste gasförmige Medium über den Seitenkanalverdichter 1, in dem es verdichtet und gefördert wird, zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um ein Rezirkulationsmedium. Weiterhin kann sich im Bereich des ersten Teils der ersten Rückführleitung 23a ein Knotenpunkt 46 befinden, wobei es sich um eine Strömungsverzweigung handelt. Der Knotenpunkt 46 verbindet dabei die jeweilige Rückführleitung 23 mit einem Ablassventil 42, welches bei Bedarf dazu genutzt werden kann, Wasser aus einem Brennstoffzellensystem 31 einen Bereich der Umgebung 44 herauszuleiten.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich, wird das in einem Tank 34 gespeicherte gasförmige Medium über eine Zuströmleitung 22 einem zweiten Zulauf 36 des Förderaggregats 1 zugeführt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um ein Treibmedium.
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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 102019214279 A1 [0003, 0004]
