DE102022206534A1

DE102022206534A1 - Gasfördervorrichtung

Info

Publication number: DE102022206534A1
Application number: DE102022206534.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Katz; Jochen Wessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasfördervorrichtung insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Rotor-Welle-Einheit (28), die in einem Gehäuse (18) über wenigstens ein vorzugsweise als Luftlager ausgebildetes Lager (34, 36) um eine Drehachse (30) drehbar gelagert ist. Zum Antrieb der Rotor-Welle-Einheit (28) ist ein elektrischer Antriebsmotor (20) vorgesehen. Die Rotor-Welle-Einheit (28) weist wenigstens ein Gasförderelement (24) auf und es sind Maßnahmen zur Erzeugung eines Kühlluftstroms zu dem wenigstens einen Lager (34, 36) und/oder zum Antriebsmotor (20) vorgesehen. Zur Erzeugung des Kühlluftstroms weist die Rotor-Welle-Einheit (28) wenigstens ein Luftförderelement (40) auf, durch das Luft aus der Umgebung der Gasfördervorrichtung (10) in das Gehäuse (18) angesaugt und zu dem wenigstens einen Lager (34, 36) und/oder zum Antriebsmotor (20) gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasfördervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Eine solche Gasfördervorrichtung in Form eines Luftverdichters für ein Brennstoffzellensystem ist durch die DE 10 2018 201 162 A1 bekannt. Diese Gasfördervorrichtung weist eine Rotor-Welle-Einheit auf, die um eine Drehachse drehbar in einem Gehäuse über wenigstens ein vorzugsweise als Luftlager ausgebildetes Lager gelagert ist. Die Gasfördervorrichtung weist außerdem einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der Rotor-Welle-Einheit auf. Ein Teil des von der Gasfördervorrichtung geförderten Gases wird dem wenigstens einen Lager der Rotor-Welle-Einheit und/oder dem Antriebsmotor zur Kühlung zugeführt. Dies ist jedoch nachteilig da ein Teil des von der Gasfördervorrichtung geförderten Gases nicht nutzbar ist und die Gasfördervorrichtung entsprechend größer dimensioniert werden muss um einen ausreichend großen nutzbaren Gasstrom zu fördern.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Gasfördervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Kühlung des wenigstens einen Lagers und/oder des Antriebsmotors durch das wenigstens eine Luftförderelement bewirkt wird ohne dass der durch die Gasfördervorrichtung geförderte Gasstrom verringert ist, der somit vollständig nutzbar ist.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ist das Luftförderelement auf einfache Weise und aus dem für dieses optimal geeigneten Werkstoff herstellbar. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist keine separate Montage des Luftförderelements erforderlich. Die Ausbildung gemäß Anspruch 4 ermöglicht eine wirkungsvolle Funktion des Luftförderelements. Die Ausbildung gemäß Anspruch 5 ermöglicht eine vorteilhafte Strömungsführung der vom Luftförderelement angesaugten Luft. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 7 ist sichergestellt, dass keine Schmutzpartikel angesaugt werden. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 9 wird die auf die Rotor-Welle-Einheit wirkende Axialkraft durch das Luftförderelement verringert.
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.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer als Luftverdichter ausgeführten Gasfördervorrichtung und
2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des Luftverdichters, im Bereich eines Elektromotors von 1 in einem Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist in vereinfachter schematischer Weise ein Brennstoffzellensystem beispielsweise für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstack 10 auf, dem über ein Anodensystem 12 Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und über ein Kathodensystem 14 Oxidationsmittel, insbesondere Luft, zugeführt wird. Das Kathodensystem 14 weist eine Gasfördervorrichtung 16 in Form eines Luftverdichters auf, durch den dem Brennstoffzellenstack 10 Luft in der für den jeweiligen Betriebszustand erforderlichen Menge mit dem erforderlichen Druck zugeführt wird.
Der Luftverdichter 16 weist wie in 2 dargestellt ein mehrteiliges Gehäuse 18 auf, in dem ein Elektromotor 20 als Antrieb angeordnet ist, durch den eine Welle 22 um ihre Längsachse 23 rotierend angetrieben wird, mit der wenigstens ein Gasförderelement in Form eines Verdichterrads 24 verbunden ist. Die Welle 22 ist mit einem Rotor 26 des Elektromotors 20 verbunden oder der Rotor 26 ist Teil der Welle 22. Die Welle 22 und der Rotor 26 bilden eine Rotor-Welle-Einheit 28, die im Gehäuse 18 um eine Drehachse 30 drehbar gelagert ist. Der Elektromotor 20 weist außerdem einen Stator 32 auf, der den Rotor 26 umgibt.
Die Rotor-Welle-Einheit 28 ist im Gehäuse 18 über wenigstens ein Axiallager 34 und wenigstens ein, vorzugsweise zwei in Richtung der Drehachse 30 zueinander beabstandete Radiallager 36 drehbar gelagert. Das Axiallager 34 und die Radiallager 36 sind vorzugsweise als Luftlager, beispielsweise aerodynamische oder aerostatische Luftlager ausgebildet. Das Axiallager 34 und die Radiallager 36 können beispielsweise als Folienlager oder Kippsegmentlager ausgebildet sein.
Auf der Rotor-Welle-Einheit 28 ist zusätzlich zum Gasförderelement in Form des Verdichterrads 24 wenigstens ein Luftförderelement 40 angeordnet, das beispielsweise als Flügel- oder Schaufelrad ausgebildet ist. Das Luftförderelement 40 ist in Richtung der Drehachse 30 gesehen zwischen den beiden Radiallagern 36 angeordnet, beispielsweise zwischen einem Radiallager 36 und dem Stator 32. Das Luftförderelement 40 ist so ausgebildet, dass dieses Luft in etwa radialer Richtung bezüglich der Drehachse 30 ansaugt und in etwa axialer Richtung bezüglich der Drehachse 30 fördert. Die durch das Luftförderelement 40 geförderte Luft gelangt innerhalb des Gehäuses 18 zumindest zum Axiallager 34 und/oder zu einem der Radiallager 36 und/oder zum Elektromotor 20, insbesondere in den Spalt zwischen dessen Rotor 26 und dessen Stator 32. Vorzugsweise gelangt die durch das Luftförderelement 40 geförderte Luft zu allen Lagern 34, 36 und zum Elektromotor 20, um diese zu kühlen. In 2 ist die durch das Luftförderelement 40 bewirkte Durchströmung des Gehäuses 18 durch Pfeile verdeutlicht.
Vorzugsweise weist das Luftförderelement 40 an seinen beiden in Richtung der Drehachse 30 weisenden Seiten jeweils einen Kranz von Flügeln oder Schaufeln auf, so dass durch das Luftförderelement 40 Luft in entgegengesetzte axiale Richtungen bezüglich der Drehachse 30 fördert. In der Darstellung gemäß 2 fördert das Luftförderelement 40 Luft durch das erste Radiallager 36 und das daran anschließende Axiallager 34. Zur entgegengesetzten Seite hin fördert das Luftförderelement 40 Luft durch den Spalt zwischen dem Rotor 26 und dem Stator 32 und weiter durch das zweite Radiallager 36.
Das Luftförderelement 40 kann als separates Bauteil ausgebildet sein, das mit der Rotor-Welle-Einheit 28 drehfest verbunden ist, insbesondere ist das Luftförderelement 40 mit der Welle 22 verbunden. Die Herstellung des Luftförderelements 40 ist dadurch einfach und für dieses kann die optimale Werkstoffauswahl getroffen werden. Alternativ kann das Luftförderelement 40 auch einstückig mit der Rotor-Welle-Einheit 28, insbesondere mit der Welle 22 ausgebildet sein, so dass für dieses keine separate Montage erforderlich ist.
Das Gehäuse 18 weist wenigstens eine Einlassöffnung 42 auf, durch die durch das Luftförderelement 40 relativ kühle Luft aus der Umgebung in das Innere des Gehäuses 18 angesaugt wird. Das Gehäuse 18 weist außerdem wenigstens eine Auslassöffnung 44 auf, durch die durch das Luftförderelement 40 geförderte Luft nach Durchströmung der Lager 34, 36 und/oder des Elektromotors 20 und dadurch bedingte Erwärmung aus dem Gehäuse 18 in die Umgebung austritt. Die Einlassöffnung 42 und die Auslassöffnung 44 sind in Richtung der Drehachse 30 zueinander beabstandet angeordnet, so dass durch die Einlassöffnung 42 möglichst kühle Luft angesaugt wird.
Im Bereich der Einlassöffnung 42 kann ein Filter 46 angeordnet sein, durch den die durch das Luftförderelement 40 in das Gehäuse 18 angesaugte Luft gefiltert wird, so dass keine Schmutzpartikel in das Gehäuse 18 gelangen können. Im Bereich der Einlassöffnung 42 kann ein Rückschlagventil 48 angeordnet sein, das in das Gehäuse 18 öffnet. Durch das Rückschlagventil 48 wird verhindert, dass Luft aus dem Gehäuse 18 durch die Einlassöffnung 42 austreten kann.
Im Betrieb der Gasfördervorrichtung 16 können durch das Gasförderelement 24 in Richtung der Drehachse 30 wirkende axiale Kräfte auf die Rotor-Welle-Einheit 28 erzeugt werden, die durch das Axiallager 34 abgestützt werden. Durch das Luftförderelement 40 können im Betrieb der Gasfördervorrichtung 16 ebenfalls in axialer Richtung wirkende Kräfte auf die Rotor-Welle-Einheit 28 erzeugt werden, wobei das Luftförderelement 40 so ausgebildet ist, dass die durch dieses erzeugte axiale Kraft der durch das Gasförderelement 24 erzeugten axialen Kraft entgegengesetzt ist. Dadurch wird die Belastung des Axiallagers 34 verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018201162 A1 [0002]

Claims

Gasfördervorrichtung insbesondere für ein Brennstoffzellensystem mit einer Rotor-Welle-Einheit (28), die in einem Gehäuse (18) über wenigstens ein vorzugsweise als Luftlager ausgebildetes Lager (34, 36) um eine Drehachse (30) drehbar gelagert ist, mit einem elektrischen Antriebsmotor (20) zum Antrieb der Rotor-Welle-Einheit (28), wobei die Rotor-Welle-Einheit (28) wenigstens ein Gasförderelement (24) aufweist und mit Maßnahmen zur Erzeugung eines Kühlluftstroms zu dem wenigstens einen Lager (34, 36) und/oder zum Antriebsmotor (20), dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Kühlluftstroms die Rotor-Welle-Einheit (28) wenigstens ein Luftförderelement (40) aufweist, durch das Luft aus der Umgebung der Gasfördervorrichtung (16) in das Gehäuse (18) angesaugt und zu dem wenigstens einen Lager (34, 36) und/oder zum Antriebsmotor (20) gefördert wird.
Gasfördervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Luftförderelement (40) als separates Bauteil mit der Rotor-Welle-Einheit (28) verbunden ist.
Gasfördervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Luftförderelement (40) einstückig mit der Rotor-Welle-Einheit (28) ausgebildet ist.
Gasfördervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Luftförderelement (40) als Flügel- oder Schaufelrad ausgebildet ist.
Gasfördervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das wenigstens eine Luftförderelement (40) Luft aus der Umgebung in zumindest annähernd radialer Richtung bezüglich der Drehachse (30) in das Gehäuse (18) angesaugt und in zumindest annähernd axialer Richtung bezüglich der Drehachse (30) gefördert wird.
Gasfördervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das wenigstens eine Luftförderelement (40) Luft in zwei entgegengesetzten axialen Richtungen bezüglich der Drehachse (30) gefördert wird.
Gasfördervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlasses (42), durch den Luft aus der Umgebung in das Gehäuse (18) angesaugt wird, ein Filter (46) angeordnet ist.
Gasfördervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlasses (42), durch den Luft aus der Umgebung in das Gehäuse (18) angesaugt wird, ein in das Gehäuse (18) öffnendes Rückschlagventil (48) angeordnet ist.
Gasfördervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das wenigstens eine Gasförderelement (24) im Betrieb eine in Richtung der Drehachse (30) wirkende axiale Kraft auf die Rotor-Welle-Einheit (28) erzeugt wird und dass durch das wenigstens eine Luftförderelement (40) im Betrieb eine der durch das Gasförderelement (24) erzeugten axialen Kraft entgegengesetzte axiale Kraft auf die Rotor-Welle-Einheit (28) erzeugt wird.
Gasfördervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das wenigstens eine Luftförderelement (40) geförderte Luft nach Durchströmung des wenigstens einen Lagers (34, 36) und/oder des Antriebsmotors (20) aus dem Gehäuse (18) durch wenigstens einen Auslass (44) in die Umgebung austritt.