DE102022204867A1

DE102022204867A1 - Gaszuführvorrichtung

Info

Publication number: DE102022204867A1
Application number: DE102022204867.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Derhardt; Jochen Wessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2023-11-23
Also published as: CN117072462A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaszuführvorrichtung (1) mit einer Welle (7), die um eine Drehachse (13) drehbar in einem Gehäuse (15) gelagert ist, und mit einer Temperiereinrichtung (11), die eine die Welle (7) umgebende Mediumtemperierung (12) umfasst, die mit einer Gastemperierung (20) kombiniert ist.Um die Gaszuführvorrichtung (1) funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern, umfasst die Temperiereinrichtung (11) mindestens einen selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitt (58) mit einer Temperierleitgeometrie (21), welche die Größe des Durchtrittsquerschnitts (58) temperaturabhängig verändert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaszuführvorrichtung mit einer Welle, die um eine Drehachse drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, und mit einer Temperiereinrichtung, die eine die Welle umgebende Mediumtemperierung umfasst, die mit einer Gastemperierung kombiniert ist.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018 201 162 A1 ist eine als Turbomaschine ausgeführte Luftzuführvorrichtung bekannt, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Verdichter, einer Antriebsvorrichtung und einer Welle, wobei der Verdichter ein auf der Welle angeordnetes Laufrad, einen Verdichtereingang und einen Verdichterausgang aufweist, wobei ein Arbeitsfluid von dem Verdichtereingang zu dem Verdichterausgang förderbar ist, wobei an dem Verdichterausgang ein Antriebskühlpfad zur Kühlung der Antriebsvorrichtung abzweigt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 224 774 A ist eine Kühleinheit eines Luftkompressors bekannt, der ein Spiralgehäuse, ein Laufrad, das an dem Spiralgehäuse montiert ist, und einen Motor enthält, der das Laufrad antreibt, und den Motor und Lager, die eine Drehwelle des Motors lagern, unter Verwendung von Luft an einer Auslassseite des Laufrads kühlt, wobei die Kühleinheit folgendes aufweist: Eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen, die entlang einer Radialrichtung in einem Motorgehäuse angeordnet sind, das mit dem Spiralgehäuse gekoppelt ist, und durch die Kühlmittel strömt; und einen Kanal für gekühlte Luft, der zwischen den Kühlmittelkanälen des Motorgehäuses ausgebildet ist und durch den die Luft strömt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gaszuführvorrichtung mit einer Welle, die um eine Drehachse drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, und mit einer Temperiereinrichtung, die eine die Welle umgebende Mediumtemperierung umfasst, die mit einer Gastemperierung kombiniert ist, funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einer Gaszuführvorrichtung mit einer Welle, die um eine Drehachse drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, und mit einer Temperiereinrichtung, die eine die Welle umgebende Mediumtemperierung umfasst, die mit einer Gastemperierung kombiniert ist, dadurch gelöst, dass die Temperiereinrichtung mindestens einen selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitt mit einer Temperierleitgeometrie umfasst, welche die Größe des Durchtrittsquerschnitts temperaturabhängig verändert. Durch die in ihrer Gestalt veränderliche Temperierleitgeometrie kann der von Medium durchströmte Querschnitt selbstregulierend verändert werden. Dadurch kann die Gaszuführvorrichtung effizienter betrieben werden. Je nach Bedarf an temperiertem Medium ändert sich die Größe des Durchtrittsquerschnitts temperaturabhängig.
Bei der Gaszuführvorrichtung handelt es sich zum Beispiel um einen Verdichter, insbesondere um einen Luftverdichter, der in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von verdichteter Luft dient. Der Verdichter kann ein Laufrad umfassen. Der Verdichter kann aber auch mehrere Laufräder umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Verdichter mit mindestens einem Turbinenrad ausgestattet sein. Dann wird der Verdichter auch als Turboverdichter oder Turbomaschine bezeichnet. Die Gaszuführvorrichtung kann nur durch mindestens eine Turbine angetrieben sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführvorrichtung einen elektromotorischen Antrieb umfasst, der die Welle antreibt und der von der Mediumtemperierung umgeben ist. Der elektromotorische Antrieb der Gaszuführvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Elektromotor mit einem feststehenden Stator, in dem ein Rotor drehbar angeordnet ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem selbstregulierenden Durchschnittsquerschnitt Strömungsleitkörper angeordnet sind, die bei einer höheren Temperatur einen größeren Durchtrittsquerschnitt freigeben als bei einer niedrigeren Temperatur. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der selbstregulierende Durchtrittsquerschnitt von einem zu kühlenden Medium, insbesondere einem zu kühlenden Gas, wie Luft, durchströmt wird. Wenn das zu kühlende Medium eine eher niedrigere Temperatur hat, dann ist der Kühlbedarf gering. Erst bei einer höheren Temperatur vergrößert sich der Durchschnittsquerschnitt für das zu kühlende Medium automatisch. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass nicht unnötig, das heißt nicht ohne entsprechenden Bedarf, Massenstrom durch einen zu großen Durchtrittsquerschnitt verloren geht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkörper, zumindest teilweise, aus einem Bimetall gebildet sind. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ermöglicht, dass sich die mit den Strömungsleitkörpern dargestellte Temperierleitgeometrie in ihrer Gestalt temperaturabhängig ändert.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkörper einstückig mit einem Bimetallblechmaterial verbunden sind, aus dem die Strömungsleitkörper gebildet sind. Dadurch wird die Herstellung der Temperiereinrichtung mit dem selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitt erheblich vereinfacht. Die Strömungsleitkörper dienen zum einen dazu, die Temperierung des an der Temperierleitgeometrie entlang geleiteten Mediums, insbesondere des Gases, zu verbessern. Die Strömungsleitkörper können unterschiedliche Formen oder Gestalten aufweisen. Die Strömungsleitkörper können in dem vorzugsweise ebenen Bimetallblechmaterial, zum Beispiel durch Lasern, Stanzen oder Ätzen, erzeugt werden. Durch die einstückige Verbindung der Strömungsleitkörper mit dem Bimetallblechmaterial wird auf einfache Art und Weise die Darstellung des selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitts ermöglicht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung eine Temperierhülse mit einer zur Strömungsführung eines Temperiermediums gestalteten ersten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie und zum Temperieren von Gas einen mit einer zweiten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie versehenen Gastemperierring umfasst, der die erste Temperierleitgeometrie begrenzt und radial innerhalb eines Gehäusekörpers angeordnet ist, wobei der Gastemperierring einen hülsenartigen Grundkörper umfasst, der mit einem aus dem Bimetallblechmaterial gebildeten Leitblech kombiniert ist, das den hülsenartigen Grundkörper des Gastemperierrings umgibt und zur Darstellung der zweiten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie dient. Die erste radial nach außen offene Temperierleitgeometrie umfasst Temperiermediumleitstrukturen, zum Beispiel Temperiermediumkanäle, die von einem vorzugsweise flüssigen Temperiermedium durchströmt werden. Die erste Temperierleitgeometrie begrenzt die Temperiermediumleitstrukturen an der Temperierhülse vorzugsweise radial innen und in axialer Richtung. Radial außen werden die Temperiermediumleitstrukturen von der Temperierhülse nicht begrenzt. Die Begrenzung der Temperiermediumleitstrukturen der ersten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie erfolgt zumindest in einem axialen Abschnitt durch den Gastemperierring. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die erste radial nach außen offene Temperierleitgeometrie in einem axialen Abschnitt an einem Ende der Temperierhülse von dem Gastemperierring begrenzt. Es ist aber auch möglich, dass die erste radial nach außen offene Temperierleitgeometrie der Temperierhülse über ihre gesamte axiale Abmessung von dem Gastemperierring begrenzt wird. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse der Welle. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zu dieser Drehachse. Analog bedeutet radial quer zu dieser Drehachse. Der Gastemperierring hat im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisringscheibe mit einem rechteckigen Querschnitt. Radial innen hat der Gastemperierring im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. Mit zumindest einem axialen Abschnitt dieses geraden Kreiszylindermantels begrenzt der Gastemperierring die erste radial nach außen offene Temperierleitgeometrie, die an der Temperierhülse ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich begrenzt der Gastemperierring die erste Temperierleitgeometrie der Temperierhülse in einer axialen Richtung. Das heißt, dass der Gastemperierring mit einer Stirnfläche zum Beispiel einen axial offenen Temperiermediumkanal begrenzt, der an der Temperierhülse vorgesehen ist. An dieser Stirnfläche und/oder radial innen strömt temperiertes Temperiermedium an dem Gastemperierring entlang. Radial außen ist die zweite radial nach außen offene Temperierleitgeometrie mit Gas umströmt. Die mit der Temperierhülse dargestellte Temperierleitgeometrie dient, insbesondere in Verbindung mit einem Gehäusekörper, der die Temperierhülse radial außen umgibt, zur Darstellung von Hohlräumen, die von dem Temperiermedium durchströmt werden. Die beanspruchte Temperiereinrichtung stellt einen Wärmetauscher dar, der die Temperierhülse und den Gastemperierring umfasst. Die Temperierhülse stellt ein Innenteil dar. Der Gastemperierring stellt ein Mittelteil dar. Der Gehäusekörper stellt ein Außenteil dar. Die Temperiereinrichtung mit dem Innenteil, dem Mittelteil und dem Außenteil ist in einem Ringraum angeordnet, der radial innen von dem elektromotorischen Antrieb, insbesondere dem Stator des elektromotorischen Antriebs, begrenzt wird, und der radial außen offen ist beziehungsweise von einem Gehäuse oder einer angebauten Struktur begrenzt wird. Zwischen dem Innenteil und dem Mittelteil ist zum Beispiel mindestens ein Temperiermediumkanal ausgebildet, durch den das temperierte Temperiermedium, zum Beispiel ein Wasser-Glykol-Gemisch, fließt. Die Strömungsleitkörper üben in der beanspruchten Gaszuführvorrichtung vorteilhaft eine Doppelfunktion aus. Zum einen dienen die Strömungsleitkörper dazu, die Gasströmung, insbesondere Luftströmung, in einem radial zwischen dem hülsenartigen Grundkörper und dem Gehäusekörper ausgebildeten Ringraum zu leiten. Darüber hinaus kann mit den Strömungsleitkörpern vorteilhaft der Durchtrittsquerschnitt für die Gasströmung in dem Ringraum temperaturabhängig verändert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkörper als aus dem Bimetallblechmaterial ausgeschnittene Leitfinnen ausgeführt sind, die sich zur Darstellung des selbstregulierenden Durchschnittsquerschnitts in Abhängigkeit von einer Gastemperatur mehr oder weniger stark aufstellen. Dadurch wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass die Strömungsleitkörper in der radial nach außen offenen zweiten Temperierleitgeometrie von dem Gas umströmt werden. So wirkt sich eine Veränderung in der Gastemperatur des die Strömungsleitkörper umströmenden Gases schnell auf das Bimetallblechmaterial aus, aus dem die Leitfinnen ausgeschnitten sind. Dadurch kann in der Gaszuführvorrichtung ohne zusätzliche Elemente eine gewünschte Regelfunktion realisiert werden. Durch die aufgestellten Leitfinnen wird die Temperieroberfläche an der zweiten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie des Gastemperierrings effektiv vergrößert. Darüber hinaus wird eine thermische Grenzschicht in der an der zweiten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie entlanggeführten Gasströmung gestört, so dass die aus dem Gas abgeführte Wärmemenge wirksam erhöht werden kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Bimetallblechmaterial ausgeschnittenen Leitfinnen an einer Verbindungslinie einstückig mit dem Bimetallblechmaterial verbunden sind. Die Verbindungslinie verläuft im eingebauten Zustand des Gastemperierrings vorzugsweise in axialer Richtung. So wird auf einfache Art und Weise beim Biegen des vorzugsweise ebenen Bimetallblechausgangsmaterials ein gewünschtes Aufstellen der Gasleitelemente ermöglicht. Zwischen den einstückigen Verbindungen der Leitfinnen mit dem ebenen Bimetallblechausgangsmaterial stellen Abschnitte der Verbindungslinie Biegelinien an dem gebogenen Leitblech dar. Die Leitfinnen können unterschiedliche Gestalten aufweisen. So können die Leitfinnen zum Beispiel die Gestalt von Dreiecken oder Vierecken aufweisen. Die Leitfinnen können alle die gleiche Gestalt aufweisen. Die Leitfinnen können aber auch unterschiedliche Gestalten aufweisen.
Der hülsenartige Grundkörper hat vorzugsweise die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. So kann mit fertigungstechnisch einfachen Mitteln eine gewünschte fluidische Trennung zwischen den beiden Temperierleitgeometrien realisiert werden, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Temperiermedium und dem Gas zu ermöglichen, und umgekehrt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. So kann mit fertigungstechnisch einfachen Mitteln eine gewünschte fluidische Trennung zwischen den beiden Temperierleitgeometrien realisiert werden, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Temperiermedium und dem Gas zu ermöglichen, und umgekehrt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Grundkörper an einem Ende einen Bund aufweist. Der Bund begrenzt die zweite radial nach außen offene Temperierleitgeometrie an einem axialen Enden des hülsenartigen Grundkörpers. Darüber hinaus ist der Bund vorteilhaft mit einer Aufnahmenut ausgestattet, die zur Aufnahme einer Dichtung, insbesondere eines O-Rings, dient, um eine Abdichtung zwischen dem Gastemperierring und dem Gehäusekörper zu ermöglichen. Darüber hinaus wird durch den Bund die Montage und/oder Positionierung des Leitblechs vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennsteg außen an dem hülsenartigen Grundkörper eine Einströmausnehmung für das Gas von einer Ausströmausnehmung für das Gas trennt. So wird auf fertigungstechnisch einfach realisierbare Art und Weise das Zuführen und das Abführen des Gases an dem Gastemperierring ermöglicht. Das Gas wird vorteilhaft in Umfangsrichtung an der zweiten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie des Gastemperierrings entlang geführt. Das Temperiermedium wird radial innerhalb des Gastemperierrings vorteilhaft ebenfalls im Wesentlichen in Umfangsrichtung an der ersten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie innen an dem Gastemperierring entlang geführt. So wird auf einfache Art und Weise ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Temperiermedium ermöglicht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trennsteg einstückig mit dem Leitblech verbunden ist. Dadurch wird die Herstellung des Gastemperierrings weiter vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem hülsenartigen Grundkörper verbunden ist. So wird auf einfache Art und Weise ein stabiler Verbund zwischen dem Leitblech und dem hülsenartigen Grundkörper geschaffen.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer vorab beschriebenen Gaszuführvorrichtung, insbesondere eines Gastemperierring für eine derartige Gaszuführvorrichtung, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Strömungsleitkörper in dem Bimetallblechmaterial erzeugt werden. Das Bimetallblechmaterial liegt in seiner Ausgangsform vorteilhaft als ebenes Bimetallblechmaterial vor. Aus diesem ebenen Bimetallblechmaterial können später die Leitfinnen darstellenden Strömungsleitkörper einfach ausgeschnitten werden. Beim Aufbringen des so vorbereiteten Bimetallblechmaterials auf den hülsenartigen Grundkörper stellen sich die Leitfinnen dann auf. In Abhängigkeit von der Temperatur des die Leitfinnen umströmenden Gases stellen sich diese dann mehr oder weniger stark auf, um den gewünschten Selbstregulierungseffekt in dem von Gas durchströmten Ringraum zu ermöglichen.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Gaszuführvorrichtung ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass der selbstregulierende Durchtrittsquerschnitt in einem Betriebspunkt der Gaszuführvorrichtung mit geringer Leistung weitestgehend versperrt wird, wobei der selbstregulierende Durchtrittsquerschnitt in einem Betriebspunkt der Gaszuführvorrichtung mit hoher Leistung weitestgehend freigegeben wird. So wird eine Gaszuführvorrichtung, insbesondere ein Kühler, geschaffen, die beziehungsweise der in Abhängigkeit von der Temperatur des zu kühlenden Gases, insbesondere von Luft, selbstregulierend seinen Durchtrittsquerschnitt ändert. Hierbei wird der Effekt des Bimetalls ausgenutzt. Aufgrund der Querschnittsänderung ändert sich auch der Massenstrom, der durch die Gaszuführvorrichtung, insbesondere durch den Kühler, strömt, wodurch sich die Effizienz der Gaszuführvorrichtung erhöht.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Gastemperierring, insbesondere einen hülsenartigen Grundkörper und/oder ein Leitblech, für eine vorab beschriebene Gaszuführvorrichtung. Die genannten Teile sind separat handelbar.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Gaszuführvorrichtung. Die vorzugsweise als Luftzuführvorrichtung ausgeführte Gaszuführvorrichtung dient in dem Brennstoffzellensystem zum Verdichten von Luft, die einem Brennstoffzellenstack in dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer als Verdichter ausgeführten Luftzuführvorrichtung mit einer Kühleinrichtung, die eine Kühlmediumkühlung umfasst, die mit einer Luftkühlung kombiniert ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt;
2 einen Ausschnitt aus 1 gemäß einer geringfügig modifizierten Variante des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels;
3 eine perspektivische Darstellung eines hülsenartigen Grundkörpers, der in Kombination mit einem Leitblech aus einem ebenen Bimetallblechausgangsmaterial zur Darstellung einer radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie an einem Gastemperierring in dem in den 1 und 2 gezeigten Verdichter dient;
4 eine perspektivische Darstellung eines ebenen Bimetallblechausgangsmaterials, das zur Herstellung eines Gastemperierrings auf den in 3 dargestellten hülsenartigen Grundkörper aufgebracht wird;
5 eine vergrößerte Vorderansicht des Bimetallblechmaterials;
6 eine perspektivische Darstellung des gebogenen und mit einem Trennsteg versehenen Bimetallblechmaterials mit aufgestellten Strömungsleitkörpern zur Darstellung eines Leitblechs; und die
7 und 8 eine Schnittansicht durch einen selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitt der Kühleinrichtung der Luftzuführvorrichtung aus 1 mit temperaturabhängig unterschiedlich stark aufgestellten Leitfinnen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine als Luftzuführvorrichtung ausgeführte Gaszuführvorrichtung 1 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Die Luftzuführvorrichtung 1 ist als Verdichter mit zwei Laufrädern 3, 4 ausgeführt.
Die Laufräder 3, 4 sind als Verdichterräder ausgeführt und jeweils in einem Spiralgehäuse 5, 6 drehbar angeordnet. Die Laufräder 3, 4 sind durch einen elektromotorischen Antrieb 2 drehbar angetrieben. Der elektromotorische Antrieb 2 umfasst einen Stator, in welchem ein Rotor mit einer Welle 7 drehbar angetrieben ist.
Die Welle 7 ist mit Hilfe zweier Radiallager 8, 9 und eines Axiallagers 10 drehbar in einem Gehäuse 15 gelagert. Das Gehäuse 15 umfasst einen Gehäusekörper 16, der im Wesentlichen topfartig ausgeführt ist. Der topfartige Gehäusekörper 16 ist durch einen Gehäusedeckel 17 verschlossen. Das Gehäuse 15 mit dem Gehäusekörper 16 und dem Gehäusedeckel 17 ist in axialer Richtung zwischen den beiden Spiralgehäusen 5, 6 angeordnet, die ebenfalls Teile des Gehäuses 15 darstellen.
Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse 13, um welche die Welle 7 mit den beiden Laufrädern 3, 4 drehbar in dem Gehäuse 15 gelagert ist. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse 13. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse 13.
Der elektromotorische Antrieb 2, insbesondere der Stator des elektromotorischen Antriebs 2, ist in dem Gehäuse 15 von einer als Kühleinrichtung ausgeführten Temperiereinrichtung 11 umgeben. Die Kühleinrichtung 11 ist in einem Ringraum angeordnet, der radial innen von dem elektromotorischen Antrieb 2, insbesondere von dem Stator des elektromotorischen Antriebs 2, begrenzt wird.
Radial außen wird der Ringraum, in welchem die Kühleinrichtung 11 angeordnet ist, von dem Gehäusekörper 16 begrenzt. In axialer Richtung wird der Ringraum, in welchem die Kühleinrichtung 11 angeordnet ist, von dem Gehäusekörper 16 und dem Gehäusedeckel 17 begrenzt.
Die Kühleinrichtung 11 umfasst eine als Kühlmediumkühlung ausgeführte Mediumtemperierung 12 und eine als Luftkühlung ausgeführte Gastemperierung 20. Die Kühlmediumkühlung 12 wird mit einem vorzugsweise flüssigen Temperiermedium, vorzugsweise Kühlmedium, betrieben, zum Beispiel einem Wasser-Glykol-Gemisch. Im Betrieb der Kühlmediumkühlung 12 strömt das temperierte, vorzugsweise gekühlte, Kühlmedium durch eine erste radial nach außen offene Temperierleitgeometrie 18.
Die erste radial nach außen offene Temperierleitgeometrie 18 umfasst eine Vielzahl von Temperiermediumkanälen 19, insbesondere Kühlmediumkanälen, die an einer auch als Motorkühlhülse bezeichneten Temperierhülse 14 ausgebildet sind. Die radial nach außen offene Temperierleitgeometrie 18 der Kühlmediumkühlung 12 wird größtenteils durch den Gehäusekörper 16 und zu einem kleinen Teil durch die Luftkühlung 20 begrenzt.
Die Luftkühlung 20 umfasst eine zweite ebenfalls radial nach außen offene Temperierleitgeometrie 21 mit einer Vielzahl von Gaskanälen 22, insbesondere Luftkanälen, die von Gasleitstrukturen begrenzt werden. Die radial nach außen offene Temperierleitgeometrie 21 der Luftkühlung 20 wird radial außen durch den Gehäusekörper 16 begrenzt.
In 2 sieht man, dass die Temperierleitgeometrie 18 der Kühlmediumkühlung 12 radial innen von einem hülsenartigen Grundkörper 23 der Motorkühlhülse 14 begrenzt wird. Analog wird die Temperierleitgeometrie 21 der Luftkühlung 20 radial innen von einem hülsenartigen Grundkörper 29 eines Gastemperierrings 24 begrenzt. Die hülsenartigen Grundkörper 23, 29 haben jeweils vorzugsweise im Wesentlichen die Gestalt von geraden Kreiszylindermänteln.
Der Grundkörper 23 der Motorkühlhülse 14 kann verschiedene axiale Abschnitte aufweisen, in denen der Grundkörper 23 unterschiedliche Innendurchmesser aufweist. Durch die unterschiedlichen Innendurchmesser werden Absätze dargestellt, die zum Beispiel zum Positionieren der Motorkühlhülse 14 relativ zu dem elektromotorischen Antrieb 2 dienen. Die Außendurchmesser des Grundkörpers 23 der Motorkühlhülse 1 4 sind in diesen axialen Abschnitten vorteilhaft ebenfalls unterschiedlich groß gestaltet.
Eine beispielhaft angedeutete Dichteinrichtung 28 ist als O-Ring ausgeführt und dient zur Abdichtung zwischen der Motorkühlhülse 14 und dem Gehäusekörper 16. Analog dient eine vorzugsweise ebenfalls als O-Ring ausgeführte Dichteinrichtung 25 zur Abdichtung zwischen dem Gastemperierring 24 und dem Gehäusekörper 16.
Die Kühleinrichtung 11 stellt einen Wärmetauscher dar, der sich aus drei Bauteilen zusammensetzt, einem Innenteil, einem Mittelteil und einem Außenteil. Bei dem Innenteil handelt es sich um die Motorkühlhülse 14. Bei dem Mittelteil handelt es sich um den Gastemperierring 24. Bei dem Außenteil handelt es sich um das Gehäuse 15 mit dem Gehäusekörper 16.
Zwischen dem Innenteil 14 und dem Mittelteil 24 ist ein Temperiermediumkanal 33, insbesondere ein Kühlmediumkanal 33, ausgebildet, durch den ein temperiertes Temperiermedium, insbesondere Kühlmedium, fließt, zum Beispiel ein Wasser-Glykol-Gemisch. Zwischen dem Mittelteil 14 und dem Außenteil 16 ist mindestens eine Gasleitstruktur, zum Beispiel ein Luftkanal, für das zu temperierende, insbesondere zu kühlende Gas, zum Beispiel Luft.
In 2 sieht man, dass der Gastemperierring 24, der auch als Luftkühlring bezeichnet werden kann, eine Vielzahl von Gasleitstrukturen, die auch als Luftleitstrukturen bezeichnet werden, umfasst. Die Gasleitstrukturen werden, wie im Folgenden mit Bezug auf die 3 bis 10 beschrieben wird, mit Hilfe eines Leitblechs 60 an dem Gastemperierring 24 realisiert, um die zweite Temperierleitgeometrie 21 darzustellen.
Radial außen zwischen der zweiten Temperierleitgeometrie 21 und dem Gehäusekörper 16 können, wie in 2 nur durch ein Bezugszeichen angedeutet ist, Druckausgleichsspalte 31 vorgesehen werden, die einen Druckausgleich zwischen einzelnen Gaskanälen, die von den Gasleitstrukturen begrenzt werden, ermöglichen. Dadurch kann eine gleichmäßigere Durchströmung der Luftkanäle oder Gaskanäle realisiert werden. Zur Abdichtung zwischen der auch als Innenteil bezeichneten Temperierhülse 14 und dem auch als Mittelteil bezeichneten Gastemperierring 24 ist eine als O-Ring ausgeführte Dichteinrichtung 30 vorgesehen.
In 3 ist der hülsenartige Grundkörper 29 des Gastemperierrings 24 alleine perspektivisch dargestellt. Der Grundkörper 29 hat die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. An einem Ende weist der Grundkörper 29 einen radial nach außen abstehenden Bund 40 auf. Der Bund 40 ist vorteilhaft mit einer Aufnahmenut zur Aufnahme der in 2 mit 25 bezeichneten Dichteinrichtung ausgestattet.
Der in 3 dargestellte hülsenartige Grundkörper 29 weist radial außen eine Anlagefläche 39 auf, welche die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels hat. Auf die Anlagefläche 39 wird ein in 6 dargestelltes Leitblech mit aufgestellten Strömungsleitkörpern 35 aufgebracht. Das Leitblech 60 wird stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der ebenen Anlagefläche 39 des hülsenartigen Grundkörpers 29 verbunden.
Das Leitblech 60 wird aus einem in den 4 und 5 dargestellten ebenen Biometallblechmaterial 50 hergestellt. Aus dem ebenen Bimetallblechmaterial 50 werden Leitfinnen 53 ausgeschnitten, die zur Darstellung der in 6 ausgestellt dargestellten Strömungsleitkörper 35 an dem Leitblech dienen.
Die Leitfinnen 53 haben im Wesentlichen die Gestalt von langgezogenen Dreiecken. Die Leitfinnen 53 können, anders als dargestellt, auch rechteckförmig, trapezförmig oder nahezu beliebig gestaltet sein. Wesentlich ist, dass die Leitfinnen 53 nur an einem Ende entlang einer in 6 dargestellten Verbindungslinie 54 mit dem ebenen Bimetallblechmaterial 50 verbunden sind. So können mit den Leitfinnen 53 die Strömungsleitkörper 35 realisiert werden, die sich aufstellen, wenn das ebene Bimetallblechmaterial 50 gebogen wird, wie man in 6 sieht.
Das ebene Bimetallblechmaterial 50 mit den ausgeschnittenen Leitfinnen 53 hat die Gestalt eines länglichen Blechstreifens, der an seinen einander abgewandten Endabschnitten 51, 52 verbindbar ist, um das Leitblech 60 darzustellen. In 5 sieht man, dass das Bimetallblechmaterial 50 aus einem ersten Blechmaterial 61 und einem zweiten Blechmaterial 62 gebildet ist. Die beiden Blechmaterialien 61, 62 sind aus zwei verschiedenen Werkstoffen gebildet, die unterschiedlich große Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Werkstoff, aus dem das erste Blechmaterial hat vorteilhaft einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Werkstoff, aus dem das zweite Blechmaterial 62 gebildet ist.
In 6 sieht man, dass sich die Leitfinnen 53 durch das Biegen des Bimetallblechmaterials 50 von selbst aufstellen, wodurch sich die Kühlfläche vergrößert und die Gasströmung, die in 6 durch zwei Pfeile 43 und 44 angedeutet ist, stark verwirbelt wird. So kann eine hohe Wärmemenge über die aufgestellten Leitfinnen 53 abgeführt werden.
Die Strömungsleitkörper 35 mit den sich aufstellenden Leitfinnen 53 können in Richtung einer längeren Blechseite die gleiche Länge oder auch voneinander abweichende Längen aufweisen. Die Breite der Leitfinnen 53 kann in Richtung der kürzeren Blechseite gleich lang sein oder voneinander abweichen. Zudem können die Abstände der Leitfinnen 53 in Umfangs- und/oder Achsrichtung identisch sein oder unterschiedlich. Die geometrische Form oder Gestalt der Leitfinnen 53 kann in Umfangs- und/oder Achsrichtung beliebig kombiniert werden. So kann das ebene Bimetallblechmaterial 50 beispielsweise eine Mischung aus dreieckigen, quadratischen und trapezförmigen Leitfinnen 53 aufweisen.
Im eingebauten Zustand begrenzt das in 6 dargestellte Leitblech 60 eine Einströmausnehmung 41 und eine Ausströmausnehmung 42 für das Gas, das axial zugeführt und axial abgeführt wird. Die Einströmausnehmung 41 und die Ausströmausnehmung 42 werden in axialer Richtung von dem Bund 40 des Grundkörpers 29 begrenzt. Radial innen werden die Einströmausnehmung 41 und die Ausströmausnehmung 42 von den Endabschnitten 51 und 52 des Leitblechs 60 begrenzt. Radial außen werden die Einströmausnehmung 41 und die Ausströmausnehmung 42 im eingebauten Zustand des Gastemperierrings 24 von dem Gehäusekörper 16 begrenzt.
Zwischen der Einströmausnehmung 41 und der Ausströmausnehmung 42 ist ein Trennsteg 45 ausgebildet. Der Trennsteg 45 ist, wie man in 6 sieht, durch einen Kragen 55 dargestellt, der von dem Endabschnitt 52 des Leitblechs 60 abgewinkelt ist. Der Endabschnitt 52 ist stoffschlüssig mit einer Verbindungslasche 56 verbunden, die von dem Endabschnitt 51 ausgeht und durch einen entsprechenden Schlitz in den Endabschnitt 52 hindurchgesteckt ist. Darüber hinaus ist die Verbindungslasche 56 stoffschlüssig mit dem Endabschnitt 52 verbunden.
In 6 ist durch die Pfeile 43 und 44 angedeutet, wie das über die Einströmausnehmung 41 zugeführte Gas in Umfangsrichtung an der zweiten Temperierleitgeometrie 21 mit den aufgestellten Strömungsleitkörpern 35 entlanggeführt wird. In 6 weist das Leitblech 60 eine fast vollständige Umschlingung von dreihundertsechzig Grad zwischen der Einströmausnehmung 41 und der Ausströmausnehmung 42 auf.
Anders als dargestellt, ist es auch möglich, dass die Einströmausnehmung 41 und die Ausströmausnehmung 42 auf dem Umfang weiter voneinander beabstandet sind. Dann verkleinert sich die Umschlingung entsprechend und kann zum Beispiel zweihundertsiebzig Grad, einhundertachtzig Grad oder neunzig Grad in der Umschlingung aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die Einströmausnehmung 41 und die Ausströmausnehmung 42 diametral anzuordnen. Dadurch teilt sich die Strömung im Einlassbereich auf und fließt von dort in zwei Richtungen am Umfang des Leitblechs 60 entlang zum Auslass. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass auf den Trennsteg verzichtet werden kann.
In den 7 und 8 ist veranschaulicht, wie mit Hilfe der unterschiedlich stark aufgestellten Strömungsleitkörper 35 ein in 6 nur durch ein Rechteck 58 angedeuteter Durchtrittsquerschnitt für eine durch einen Pfeil 70 angedeuteten Gasströmung durch einen Ringraum zwischen dem hülsenartigen Grundkörper 29 und dem Gehäusekörper 60 variiert werden kann.
In 7 ist gezeigt, dass die Leitfinne 53 nach der Montage des Leitblechs 60 auf den hülsenartigen Grundkörper 29 mit ihrem freien Ende an dem Gehäusekörper 16 anliegt. Ein Abstand 71 zwischen dem freien Ende der Leitfinne 53 und dem Gehäusekörper 16 ist klein oder nicht vorhanden. Somit ist der Querschnitt für die Gasströmung 70 zunächst klein.
In einem Betriebspunkt mit geringer Leistung ist die Temperatur des zu kühlenden Gases gering. Der Abstand 71 wird sich nur geringfügig im Vergleich zum Montagezustand ändern. In diesem Betriebspunkt ist der Kühlluftbedarf der Gaszuführvorrichtung gering. Somit versperren die aufgestellten Strömungsleitkörper 35 vorteilhaft den Durchtrittsquerschnitt 58, wodurch sich die Effizienz der Gaszuführvorrichtung erhöht, da die verdichtete Luft in die Brennstoffzelle gefördert wird und nicht als Kühlluftmassenstrom verloren geht.
In 8 ist veranschaulicht, was passiert, wenn die Gasströmung 70 in einem Betriebspunkt mit hoher Leistung eine hohe Temperatur hat. Aufgrund des Bimetalleffekts ergibt sich zwischen dem freien Ende der aufgestellten Leitfinne 53 und dem Gehäusekörper 16 ein Abstand 72, der deutlich größer als der Abstand 71 in 7 ist. Der große Abstand 72 vergrößert den Durchtrittsquerschnitt 58, was in diesem Betriebspunkt vorteilhaft ist, da auch der Kühlluftbedarf hoch ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018201162 A1 [0002]
DE 102014224774 A [0002]

Claims

Gaszuführvorrichtung (1) mit einer Welle (7), die um eine Drehachse (13) drehbar in einem Gehäuse (15) gelagert ist, und mit einer Temperiereinrichtung (11), die eine die Welle (7) umgebende Mediumtemperierung (12) umfasst, die mit einer Gastemperierung (20) kombiniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (11) mindestens einen selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitt (58) mit einer Temperierleitgeometrie (21) umfasst, welche die Größe des Durchtrittsquerschnitts (58) temperaturabhängig verändert.
Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitt (58) Strömungsleitkörper (35) angeordnet sind, die bei einer höheren Temperatur einen größeren Durchtrittsquerschnitt (58) freigeben als bei einer niedrigeren Temperatur.
Gaszuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkörper (35), zumindest teilweise, aus einem Bimetall gebildet sind.
Gaszuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkörper (35) einstückig mit einem Bimetallblechmaterial (50) verbunden sind, aus dem die Strömungsleitkörper (35) gebildet sind.
Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (11) eine Temperierhülse (14) mit einer zur Strömungsführung eines Temperiermediums gestalteten ersten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie (18) und zum Temperieren von Gas einen mit einer zweiten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie (21) versehenen Gastemperierring (24) umfasst, der die erste Temperierleitgeometrie (18) begrenzt und radial innerhalb eines Gehäusekörpers (16) angeordnet ist, wobei der Gastemperierring (24) einen hülsenartigen Grundkörper (29) umfasst, der mit einem aus dem Bimetallblechmaterial (50) gebildeten Leitblech (60) kombiniert ist, das den hülsenartigen Grundkörper (29) des Gastemperierrings (24) umgibt und zur Darstellung der zweiten radial nach außen offenen Temperierleitgeometrie (21) dient.
Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkörper (35) als aus dem Bimetallblechmaterial (50) ausgeschnittene Leitfinnen (53) ausgeführt sind, die sich zur Darstellung des selbstregulierenden Durchtrittsquerschnitts (58) in Abhängigkeit von einer Gastemperatur mehr oder weniger stark aufstellen.
Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Bimetallblechmaterial (50) ausgeschnittenen Leitfinnen (53) an einer Verbindungslinie (54) einstückig mit dem Bimetallblechmaterial (50) verbunden sind.
Verfahren zum Herstellen einer Gaszuführvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere eines Gastemperierrings (24) für eine derartige Gaszuführvorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitkörper (35) in dem Bimetallblechmaterial (50) erzeugt werden.
Verfahren zum Betreiben einer Gaszuführvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstregulierende Durchtrittsquerschnitt (58) in einem Betriebspunkt der Gaszuführvorrichtung (1) mit geringer Leistung weitestgehend versperrt wird, wobei der selbstregulierende Durchtrittsquerschnitt (58) in einem Betriebspunkt der Gaszuführvorrichtung (1) mit hoher Leistung weitestgehend freigegeben wird.
Gastemperring (24), insbesondere hülsenartiger Grundkörper (29) und/oder Leitblech (60), für eine Gaszuführvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.