DE10325077A1

DE10325077A1 - Nach außen abgedichtete Pumpe für ein gasförmiges, eine Dampfphase enthaltendes Medium

Info

Publication number: DE10325077A1
Application number: DE10325077A
Authority: DE
Inventors: Ralph Hobmeyr; Jens-Uwe Sparschuh; Ulrich Dumke
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-10-14

Abstract

Eine nach außen abgedichtete Pumpe für ein gasförmiges, eine Dampfphase enthaltendes Medium, insbesondere ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf, mit einem in einem Motorraum angeordneten Motor, der eine Motorwelle antreibt, mit einem in einem Förderraum angeordneten, von der Motorwelle angetriebenen Förderorgan und mit einem von einem zwischen dem Motorraum und dem Förderraum vorgesehenen Lagerschild getragenen, in einem Lagersitz angeordneten und die Motorwelle drehbar lagernden Lager zeichnet sich dadurch aus, dass eine Strömungsverbindung zwischen dem Förderraum und dem Motorraum vorgesehen ist, die außerhalb des Lagers angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine nach außen abgedichtete Pumpe für ein gasförmiges, eine Dampfphase enthaltendes Medium, insbesondere ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf, mit einem in einem Motorraum angeordneten Motor, der eine Motorwelle antreibt, mit einem in einem Förderraum angeordneten, von der Motorwelle angetriebenen Förderorgan und mit einem von einem zwischen dem Motorraum und dem Förderraum vorgesehenen Lagerschild getragenen, in einem Lagersitz angeordneten und die Motorwelle drehbar lagernden Lager.

Eine solche Pumpe wird zum Beispiel als Rezirkulationspumpe im Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems verwendet. Brennstoffzellen, insbesondere so genannte PEM-Brennstoffzellen sind aus vielen Schriften bestens bekannt.

Im Betrieb liefert der den Brennstoffzellen anodenseitig zugeführte Wasserstoff Protonen, die durch die Membrane der Brennstoffzellen zu den Kathoden der Brennstoffzellen hindurch wandern und dort mit Sauerstoff reagieren, um einerseits Wasser zu produzieren und andererseits Strom zu erzeugen, der von entsprechenden Klemmen am Brennstoffzellenstapel abgenommen werden kann. Ein Teil des auf der Kathodenseite erzeugten Wassers strömt durch die Membrane der Brennstoffzellen zu der Anodenseite, so dass Wasserdampf auch auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels vorliegt, abgesehen davon, dass Wasserdampf auch häufig der Anodenseite zugeführt wird, da die Membrane nur dann einwandfrei und effizient funktionieren, wenn sie ausreichend befeuchtet sind. Ferner bewegt sich Stickstoff von der Kathodenseite durch die Membrane zu der Anodenseite der Brennstoffzellen und die Konzentration von Stickstoff erhöht sich ständig auf der Anodenseite. Da dieser Stickstoff den Wirkungsgrad der Brennstoffzellen beeinträchtigt, ist es erforderlich, einen Teil der anodenseitig fließenden Gase entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich abzulassen, um die Stickstoffkonzentration zu begrenzen bzw. von Zeit zu Zeit herabzusetzen, so dass das System insgesamt effizient arbeitet.

Beim Ablassen eines Teils der anodenseitig fließenden Gase ist eine Verschmutzung der Umwelt nicht zu befürchten, da etwaiger Brennstoff bzw. Wasserstoff, der aus dem Anodenkreis abgelassen wird mittels eines geeigneten Katalysators dazu gebracht wird, mit Luft katalytisch zu Wasser zu reagieren. Das so erzeugte Wasser, bzw. der so erzeugte Wasserdampf, sowie der Stickstoffanteil bilden natürliche Bestandteile der Atmosphäre und stellen daher keine Verunreinigung der Atmosphäre dar. Es wurde bereits vorgeschlagen, die aus der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels austretenden Gase, die noch verwertbaren Wasserstoff enthalten, mittels einer Rezirkulationspumpe, die für notwendige Druckerhöhung sorgt, dem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels zusammen mit frischem Wasserstoff wieder zuzuführen.

Es hat sich bei den bisher eingesetzten Rezirkulationspumpen gezeigt, dass die Lebensdauer dieser Pumpen begrenzt ist und es ist in der Praxis außerordentlich schwierig, eine zuverlässige Pumpe zu finden, die als Rezirkulationspumpe dienen kann. Ein erhebliches Problem liegt darin, dass das Anodenmedium einen negativen Einfluss auf die Haltbarkeit der Pumpe ausübt; dem soll mit der vorliegenden Erfindung entgegengewirkt werden.

Die Pumpe muss zunächst gegenüber der Außenumgebung vollständig abgedichtet sein, da sonst die Gefahr besteht, dass Wasserstoff in die Umgebung entweicht, was bei höheren Konzentrationen aus Sicherheitsgründen bedenklich wäre. Die Pumpe muss nach außen nahezu perfekt gegen Wasserstoff dicht sein. Es soll möglichst nichts aus dem Anodenkreislauf an die Umgebung abgegeben werden. Das ist auch der Grund, warum bisher bekannte und übliche Wellendichtungen genau diese Funktion im Brennstoffzellensystem (BZS) nicht erreichen. Sie sind für das „dünne" und schnellflüchtige Medium Wasserstoff nicht geeignet und lassen zuviel Wasserstoff entweichen.

Es ist beim derzeitigen Stand der Technik nicht möglich, einen Motor außerhalb des Anodenkreislaufs anzuordnen und über eine Welle ein Förderorgan im Wasserstoffkreislauf anzutreiben, da der Wellendurchgang nicht ausreichend gegenüber Wasserstoff abgedichtet werden kann. Aus diesem Grund wird der Motor zum Antreiben des Förderorgans gegenüber der Außenumgebung, nicht jedoch gegenüber dem Anodenkreislauf hermetisch abgedichtet. Auf diese Weise ist kein Wellendurchgang nach außen erforderlich. Es liegt also die oben erwähnte nach außen abgedichtete Pumpe vor. Das heißt, dass das Innere des Motorgehäuses und des Pumpengehäuses vollständig hermetisch gegenüber der Außenumgebung abgedichtet ist. Die vorliegende Konstruktion kapselt quasi alles zusammen in ein dichtes Gehäuse und somit sind Verdichter, Motor und Elektronik dem Einfluss des Anodenmediums ausgesetzt. Dies führt zu den bekannten Problemen.

Bisherige Konstruktionen zielen darauf hin, den Motorraum weitestgehend vom Förderraum abzutrennen bzw. abzudichten. Es hat sich aber gezeigt, dass bei sich ändernden Drücken im Anodenkreislauf, die mit unterschiedlichen Betriebslasten einhergehen, ein Druckausgleich zwischen dem Förderraum und dem Motorraum erfolgt, und zwar derart, dass ein Volumenstrom des sich im Anodenkreislauf befindlichen Gases durch das Lager hindurch stattfindet. Der warme, feuchte Volumenstrom führt relativ schnell dazu, dass Schmiermittel aus dem Lager ausgewaschen wird und dass das Lager versagt. Genau das ist hier zu vermeiden, d.h. das Auswaschen des Schmiermittels (hier Fett) aus den Wälzlagern (hier Kugellager). Gute Schmiermittel sind grundsätzlich aus einer Seifenbasis gemacht und damit hervorragend in warmem Wasser löslich. Somit ist gerade diese vorliegende Bedingung perfekt in der Lage, die elementare Funktion des Lagers zu zerstören

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach außen abgedichtete Pumpe der eingangs genannten Art vorzusehen, dass sich bei preisgünstiger Konstruktion ein ausgeprägter Volumenstrom durch das Lager hindurch vermeiden lässt und somit ein frühzeitiges Versagen des Lagers verhindert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine nach außen abgedichtete Pumpe der eingangs genannten Art vorgesehen, dass sich dadurch auszeichnet, dass eine Strömungsverbindung zwischen dem Förderraum und dem Motorraum vorgesehen ist, die außerhalb des Lagers angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist diese Strömungsverbindung einen wesentlich niedrigeren Strömungswiderstand auf als der Weg durch das Lager hindurch, so dass der auftretende Volumenstrom nunmehr nicht durch das Lager hindurch, sondern über die Strömungsverbindung erfolgt, wodurch die Lebensdauer des Lagers und daher der gesamten Anlage wesentlich verlängert wird. Mit anderen Worten muss die Strömungsverbindung einen enorm kleineren Strömungswiderstand darstellen und damit die Strömung von dem Lager fernhalten.

Besonders günstig ist es, wenn die Strömungsverbindung durch mindestens einen Kanal gebildet ist, der sich von einer benachbart zur Motorwel le angeordneten Stelle zwischen dem Lagersitz und dem den Lagersitz benachbarten Bereich des Lagerschilds erstreckt.

Diese Ausführungsform der Strömungsverbindung stellt sicher, dass der zum Druckausgleich erforderliche Volumenstrom stets durch die erfindungsgemäß vorgesehene Strömungsverbindung erfolgt und weitestgehend verhindert, dass ein bedeutender Teil des Volumenstroms den Weg durch das Lager hindurch nimmt, was sonst aufgrund der dynamischen Strömungsverhältnisse denkbar wäre.

Besonders günstig ist es, wenn die Motorwelle zumindest im Wesentlichen vertikal angeordnet ist mit dem Lager oberhalb des Lagerschildes und wenn die Strömungsverbindung unterhalb des Lagersitzes angeordnet ist. Eine Anordnung dieser Art ermöglicht es, etwaiges Kondensat, das sich im Motorraum bildet, so abzuführen, dass dieses Kondensat nicht in Berührung mit dem Lager kommt. Die senkrechte Einbaulage der Achse erlaubt ein „Ablaufen" von Wasser/Kondensat durch geeignete Formen und Geometrien.

Besonders günstig ist es, wenn der Lagersitz durch Stege vom benachbarten Bereich des Lagerschildes getragen ist und die Strömungsverbindung um die Stege herumgeführt ist. Dies stellt eine relativ einfache Konstruktion dar, die einerseits die Forderungen der Erfindung erfüllt und andererseits für eine stabile Unterstützung des Lagersitzes sorgt, ohne dass eine sehr aufwändige Konstruktion des Lagerschildes erforderlich ist. Bei dieser Idee spielt noch ein anderer Punkt hinein. Die Mündung der Motorenkammer ist nahe der Welle und damit auf dem Druckniveau des Innenrings des Lagers. Damit befindet sich der gesamte Raum hinter dieser Öffnung und der Welle auf einem konstanten Niveau. Somit gibt es auch kein Druckgefälle zwischen Lager und Motorraum und somit keine Strömung. Ohne Druckgefälle ergibt sich auch kein Druckausgleich.

Wenn diese Konstruktion gewählt wird, so gestaltet sich die Strömungsverbindung vorzugsweise als mehrere sich radial von der Motorwelle weg erstreckende Kanäle, die jeweils zwischen zwei benachbarten Stegen vorliegen.

Bei einer bevorzugten Konstruktion wird vorgesehen, dass der dem Lagersitz benachbarte Bereich des Lagerschildes eine nach unten und auf die Motorwelle zu gerichtete, schräg gestellte Fläche aufweist, die der Drainage des aus der Dampfphase gebildeten Kondensats in Richtung des Förderraums dient. Mit anderen Worten sind die Bodenflächen der Kanäle schräg nach unten und auf die Motorwelle zu gerichtet. Diese Konstruktion stellt sicher, dass etwaiges flüssiges Wasser, das aus der Dampfphase entsteht, stets dazu neigt, unter Schwerkraft in den Förderraum transportiert zu werden, von wo es anschließend weitergeleitet wird, ohne störende Auswirkungen zu verursachen. Diese Konstruktion ist auch beim Abschalten des Brennstoffzellensystems vorteilhaft, da auch dann Wasser auf natürliche Weise vom Motorraum in den Förderraum gelangt und keine Probleme im Motorraumbereich hervorrufen kann. Solche Probleme sind neben Korrosion auch die Gefahr des Einfrierens des Wassers in engen Spalten des Motorraumes, was zu Schwierigkeiten bei der Wiederinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems führen könnte.

Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Lagerschutzkappe oberhalb des Lagers und des Lagersitzes diesen überlappend angeordnet ist und im Motorraum anfallendes aus der Dampfphase gebildetes Kondensat vom Lager fernhält. Die Lagerschutzkappe ist vorzugsweise an der Motorwelle angebracht und gegenüber dieser abgedichtet. Ferner sollte die Lagerschutzkappe eine schräg nach unten verlaufende und von der Motorwelle sich weg erstreckende Oberseite aufweisen. Die Wasserablaufschrägen sind so auszulegen, dass sich das Wasser von selbst aus den nicht erwünschten Bereichen entfernt. Auch diese Anordnung begünstigt die Drainage von etwaigem Kondensat, das sich im Motorraum bildet und dieses Kondensat vom Lager fernhält. Lagerschutzkappen, d.h. Deckscheiben bzw. Dichtscheiben, sind ein konstruktiv simples Bauteil und haben hier eine narrensichere Funktion. Kondensat wird nicht durch das Lager laufen können, da es nicht hinein kommt. Auch eine schleifende Dichtscheibe wird bei den Anforderungen in einem Brennstoffzellensystem nicht lange gegen eine Druckdifferenz dicht sein.

Die Pumpe kann beispielsweise als Seitenkanalverdichter oder als Turboverdichter ausgebildet werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung näher beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert aufgrund der beiliegenden Zeichnungen, in welchen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationspumpe ähnlich der Anordnung, die in der deutschen Patentanmeldung 102 00 581.1 gezeigt ist,
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Rezirkulationspumpe in Form eines Seiten kanalverdichters, der für die Anwendung in einem Brennstoffzellensystem ausgelegt ist,
3 eine Ansicht von unten auf das Laufrad des Seitenkanalverdichters der 2,
4 eine in Längsrichtung geschnittene Darstellung eines Turboverdichters, der eine zweite erfindungsgemäße Ausführung einer Rezirkulationspumpe darstellt,
5 eine schematische Darstellung eines Lagers im Bereich eines Lagerschilds in einem Seitenkanalverdichter gemäß 2 und 3 oder in einem Turboverdichter gemäß 4, um die Problematik zu erklären, die sich durch die erprobte Anordnung ergibt,
6 eine Graphik zur Darstellung des anhand der 5 erläuterten Problems,
7 eine Figur zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgemäßen Lösung,
8 eine Darstellung ähnlich der 5 zur Erläuterung einer weiteren konkreten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung,
9 eine Darstellung ähnlich der 2 jedoch von einem Seitenkanalverdichter mit einer erfindungsgemäßen Lösung ähnlich der 8 jedoch in einer abgewandelten Form und
10 eine Darstellung einer weiteren möglichen erfindungsgemäßen Lösung, die nicht nur bei neu konstruierten Rezirkulationspumpen, sondern auch zur erfindungsgemäßen Abwandlung existierender Rezirkulationspumpen verwendbar ist.
Das Bezugszeichen 12 deutet auf den Brennstoffzellenstapel, der aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen besteht, die schematisch mit 14 gekennzeichnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Anodenseite 16 mit Anodeneingang 18 und Anodenausgang 20 sowie eine Kathodenseite 22 mit Kathodeneingang 24 und Kathodenausgang 26 auf.
In an sich bekannter Weise weist jede einzelne Brennstoffzelle 14 eine Anode, eine Kathode und dazwischen eine Membran (nicht gezeigt) auf, wobei jede so genannte MEA (Membrane Electrode Assembly) bestehend aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Membran, zwischen zwei so genannten bipolaren Platten gehalten ist (ebenfalls nicht gezeigt). Zwischen der einen bipolaren Platte und der Kathode sind Strömungskanäle für Sauerstoff oder Luftsauerstoff vorgesehen, während zwischen der anderen bipolaren Platte und der Anode ebenfalls Strömungskanäle vorgesehen sind, die für die Zufuhr von Wasserstoff an die Anode sorgen.
Die Strömungskanäle auf der Anodenseite der Brennstoffzellen sind zusammengeschaltet, damit alle Brennstoffzellen gleichzeitig mit Brennstoff über den Anodeneingang 18 versorgt werden können, wobei überschüssiger Wasserstoff sowie andere Abgase der Brennstoffzellen, wie beispielsweise Wasser in Dampfform und Stickstoff, der von auf der Kathodenseite geliefertem Luftsauerstoff kommt, aus dem Brennstoffzellenstapel am Anodenausgang 20 über die Leitung 55 herausgeführt werden können.
Die Durchströmung der Anoden der zusammen geschalteten Brennstoffzellen ist schematisch in der Figur mit der Linie 28 gezeigt. In ähnlicher Weise sind die Strömungspassagen auf der Kathodenseite der Brennstoffzellen zusammen geschlossen, um einen Strömungspfad 30 vom Kathodeneingang 24 zum Kathodenausgang 26 im Brennstoffzellenstapel 12 zu bilden, wobei die auf der Kathodenseite 22 anfallenden Abgase über die Leitung 25 in die Atmosphäre abgegeben werden können. Die bipolaren Platten der einzelnen Brennstoffzellen 14 sind in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet. Im Betrieb entsteht eine Spannung an den zwei Ausgangsklemmen 32 und 34. Diese Spannung steht nicht dargestellten Einrichtungen, z.B. für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem eingebaut ist sowie für den Antrieb von anderen Aggregaten, die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems notwendig sind, als Leistungsquelle zur Verfügung.
Die Auslegung von Brennstoffzellenstapeln bzw. der darin enthaltenen Brennstoffzellen sind bestens aus verschiedenen Schriften bekannt, so dass es nicht notwendig ist, hier näher auf die konkrete Auslegung des Brennstoffzellenstapels einzugehen.
Wesentlich ist, dass der Anodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 12 ein gasförmiger Brennstoff zugeführt werden muss, wobei im Falle der Verwendung von Wasserstoff der Wasserstoff möglicherweise von einer Quelle in Form eines Wasserstofftanks 36 entnommen wird. Konkret kommt im dargestellten Beispiel der Wasserstoff vom Wasserstofftank 36 über ein mechanisches Druckregelventil 38 sowie über ein Solenoid betätigtes Abschaltventil 40 und ein manuell betätigbares Absperrventil 42 zu einem Stellventil 44, das den frischen Wasserstoff über eine Leitung 46 dem Anodeneingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12 zuführt.
Im Betrieb wird das Stellventil 44 bei geöffneten Ventilen 40 und 42 je nach der vom Fahrer des Kraftfahrzeugs geforderten Leistung über eine Steuerung 48 angesteuert, um den erforderlichen Massenstrom an frischem Wasserstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 einzuspeisen.
Gleichzeitig mit der lastabhängigen Ansteuerung des Stellventils 44 durch die Steuerung 48 wird über die Steuerung 48 ein Elektromotor 50 angesteuert, der einen Kompressor 52 antreibt und Luftsauerstoff über eine Leitung 54 und den Kathodeneingang 24 in die Kathodenseite 22 des Brennstoffzellenstapels 12 einspeist.
Im Brennstoffzellenstapel 12 wandern Protonen, die vom zugeführten Wasserstoff geliefert werden, von der Anodenseite 16 der einzelnen Brennstoffzellen durch die Membran zu der Kathodenseite 22 und reagieren an dort vorgesehenen Katalysatoren mit dem zugeführten Luftsauerstoff, um Wasser zu bilden. Diese Reaktion führt dazu, dass elektrische Spannungen an den Bipolarplatten entstehen, die in summierter Form für die an den Klemmen 32 und 34 abnehmbare Leistung sorgen.
Während der elektro-chemischen Reaktion in den einzelnen Brennstoffzellen diffundieren Stickstoffmoleküle von der Kathodenseite zur Anodenseite und verlassen die Anodenseite 16 über den Anodenausgang 20 zusammen mit dem unverbrauchten Wasserstoff und Wasserdampf. Eine Rückführleitung 58 ist zwischen dem Anodenausgang 20 und dem Anodeneingang 18 vorgesehen, und zwar mit einer Rezirkulationspumpe 60, die dafür sorgt, dass die rückgeführten Gase ein angepasstes Druckniveau am Anodeneingang 18 aufweisen, um die Strömung aufrecht zu erhalten. Bei Anwendung einer solchen Rückführung kann ein Anteil der Anodenabgase entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich über das Anodenabgasventil 56 und die Leitung 57 abgelassen werden.
Diese Anodenabgase werden dann normalerweise zur Wärmegewinnung über die Leitung 57 einem katalytischen Brenner (nicht gezeigt) zugeführt und dort mit Luftsauerstoff zur Erzeugung von Wärme umgesetzt, wobei die nach dem Brenner vorhandenen Abgase bestehend aus Stickstoff und Wasserdampf bedenkenlos in die Atmosphäre abgegeben werden können. Wie erwähnt kann das Anodenabgasventil 56 auch diskontinuierlich geöffnet werden, um von Zeit zu Zeit Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abzulassen, beispielsweise dann wenn die Stickstoffkonzentration auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf ein Niveau angestiegen ist, bei dem der effiziente Betrieb des Brennstoffzellenstapels leiden würde. Es ist auch bekannt, die Anodenabgase der Kathodenseite 22 des Brennstoffzellenstapels 12 zuzuführen, damit der Wasserstoffanteil auf der Kathodenseite direkt mit Sauerstoff zu Wasser reagiert und auf diese Weise entsorgt wird, wobei die vorliegende Erfindung auch mit einem solchen System anwendbar ist.
In der Figur sind der Wasserstofftank 36, das mechanische Druckregelventil 38, das Solenoid betätigte Abschaltventil 40 sowie das manuell betätigbare Absperrventil 42 in einem Rahmen 62 gezeigt. Da dieses Teil häufig von spezialisierten Zulieferern geliefert wird, ist es an sich bekannt.
Das mechanische Druckregelventil 38 sorgt dafür, das höhere Druckniveau P3 im Wasserstofftank 36, das beispielsweise bei 350 Bar liegen kann, auf ein niedrigeres Druckniveau P2 herunter zu regeln. Das Sicherheitsventil 38 nach dem Tank schaltet letztendlich bei etwa 10 bar. Die Regelung nach dem Tank muss aber an den Anodeneingang 18 einen höheren Druck anbieten als den im Anodenkreislauf je nach Anforderung herrschenden Druck. Im System können durchaus Drücke bis 3 bar entstehen und somit ist auch das Frischgas nur mit einem entsprechenden, noch höheren Druck einleitbar. Damit muss vom Tank her ein größerer Druck anliegen.
Nach dem Vorschlag der deutschen Patentanmeldung DE 102 00 058.1 führt eine Steuerleitung 70 von der Ausgangsseite des Stellventils 44 zum Referenzdruckeingang des Druckregelventils 38, so dass, wenn der Druck an der Brennstoffzellenseite des Stellventils 44 fällt, der Referenzdruck am mechanischen Druckregelventil 38 ebenfalls fällt. Da die Kraft vom Referenzeingang in die gleiche Richtung wirkt wie die Vorspannfeder 66 führt dies dazu, dass der Ausgangsdruck P2 des mechanischen Druckregelventils 38 und daher auch der Druck auf der Eingangsseite des Stellventils 44 ebenfalls fällt, wodurch die Druckdifferenz am Stellventil 44 zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsseite kleiner wird. Hierdurch wird der Druckdifferenzbereich, der vom Stellventil 44 beherrscht werden muss, stets klein gehalten, was die Anforderungen an das Stellventil 44 herabsetzt. Dies bedeutet nicht, dass die Druckdifferenz selbst klein sein muss, sondern dass die Schwankungen der Druckdifferenz stets klein gehalten werden sollen.
Es wird nun eine Konstruktion einer Rezirkulationspumpe 60 in Form eines so genannten Seitenkanalverdichters näher beschrieben, der in den 2 und 3 gezeigt ist.
Die Grundkonstruktion eines Seitenkanalverdichters ist an sich gut bekannt. Der Seitenkanalverdichter 60 weist einen innerhalb eines Gehäuses 110 angeordneten Motorraum 112, einen am unteren Ende 114 des Gehäuses angeordneten Förderraum 116 und einen am anderen Ende des Gehäuses angeordneten Verbindungsraum 118 auf, wobei der Förderraum 116 ein Laufrad 120 enthält, das gasförmigen Brennstoff über einen rohrförmigen Einlass 122 ansaugt (der beispielsweise am Gehäuseteil 123 umlaufend dicht geschweißt ist), in Zusammenarbeit mit dem Seitenkanal 117 eine Druckerhöhung des gasförmigen Brennstoffs bewirkt und diesen anschließend über einen Auslass 124 den Anodenseiten der Brennstoffzellen zuführt. Im Motorraum 112 ist ein im Gehäuse angeordneter Stator 126 sowie ein an einer Antriebswelle oder Motorwelle 128 angeordneter Rotor 130 vorgesehen, wobei die Motorwelle 128 das Laufrad 120 antreibt und im Verbindungsraum 118 elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) und gegebenenfalls ein Controller (ebenfalls nicht gezeigt) für den aus Stator 126 und Rotor 130 bestehenden Motor angeordnet ist bzw. sind.
Wie aus der Zeichnung der 2 ersichtlich, sitzt das Laufrad 120 auf einem verlängerten Ende der Motorwelle 128. Zwei Lager 159 und 142 stützen die Motorwelle 128 an den vorliegenden besten Positionen, nämlich vor und hinter dem Motor. Die Lager sitzen entsprechend den Lagerschildern 115 und 138, die zusammen mit dem Gehäuse 110 den Motorraum bilden und alle drei Sektionen (Förderraum, Motorraum und Verbindungsraum) gegeneinander abgrenzen. Da Wasserstoff gefordert wird, ist die Pumpe nach außen hin wasserstoffdicht, die einzelnen Sektionen zueinander aber nicht. Durch die Lager dazwischen sind diese miteinander verbunden. Bei Betrieb der Pumpe werden verschiedene Druckpotentiale in der Turbine, d.h. im Bereich des Laufrades erzeugt, und würden, wenn die vorliegende Lehre nicht befolgt wird, durch das Lager 142 fließen, um das Druckpotential auszugleichen, was zu frühzeitigem Versagen des Lagers und daher der Pumpe führen würde.
Die elektrischen Anschlüsse zum Stator sind in 2 nicht gezeigt, die Stromzufuhr wird aber über eine Steckverbindung 132 an die Statorwindungen geführt. Diese Steckverbindung ist als so genannter Mil-Stecker realisiert und stellt eine hermetische Abdichtung zwischen dem Innenraum der Pumpe und der Außenumgebung sicher. Die so genannten Mil-Stecker gelten geprüft als Wasserstoffdicht.
Die Pumpe ist komplett dicht. Mit Dichtungen und geeignetem Edelstahl rundherum sowie mit dem wasserstoffdichten Stecker 132 entweicht nahezu kein Wasserstoff.
Die genauen Details des Motors werden hier nicht beschrieben, da sie nicht zur Erfindung gehören. Es versteht sich aber, dass der Elektromotor nach einer bekannten Bauart ausgelegt sein kann bzw. ist.
Systembedingt hat eine Pumpe, wie der in 2 und 3 gezeigte Seitenkanalverdichter 56, kleine Spalten zwischen verschiedenen Bauteilen. Beispielsweise befindet sich zwischen dem Rotor 130 und dem Stator 120 ein kleiner Luftspalt 133, der wohl klein gehalten werden soll, um einen hohen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen. D.h. der Rotor 130 sitzt passgenau im Statorpaket des Stators 126.
Ferner schließt das Laufrad 120 mit den Schaufeln 121 knapp mit dem Auslasskanal 134 des Auslasses 124, mit dem Einlasskanal des Einlasses 122 und mit den eingrenzenden Deckeln 136 und 138 ab, die mit dem Abstandsring 140 den Förderraum 116 begrenzen, so dass an diesen Stellen weitere enge Funktionsspalten 123, 125, 127, 149 und 151 zwischen stationären Teilen und einem beweglichen Teil, hier das Laufrad 120, vorliegen. Bauartbedingt ergibt sich im Deckel 138, der einen Lagerschild bildet, um das Lager 142 herum eine Rinne 144 unterhalb des Motors.
Die Konstruktion des Seitenkanalverdichters 60 so wie bisher beschrieben entspricht dem bisher bekannten Aufbau eines Seitenkanalverdichters. Dieser Aufbau kann so modifiziert werden, dass ein Spülgaseinlass 150 im Deckel 152 vorgesehen ist, der den Verbindungsraum 118 umgrenzt und gegenüber der Außenumgebung abdichtet. Das Spülgas, das über eine Leitung geliefert wird, wird durch den Spülgaseinlass 150 in den Verbindungsraum eingespeist. Diese Abwandlung, die für die vorliegende Erfindung nicht zwingend erforderlich ist, ist in der deutschen Patentanmeldung 10314820.5 beschrieben. Ferner wird eine Bohrung 154 im Lagerschild 138 und eine weitere Bohrung 156 im Steg 158 des Laufrades 120 vorgesehen, so dass das Spülgas in den Hohlräumen auf beiden Seiten des Steges eindringen und von hier aus die Funktionsspalten im Bereich des Laufrades spülen kann.
Bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems wird das Spülgas über den Spülgaseinlass in den Verbindungsraum eingespeist, vertreibt bzw. verdampft etwaiges dort bzw. an oder in einem gegebenenfalls vorgesehenen Controller vorhandenes Kondensat durch die Bohrungen 119 in den Motorraum 112 und strömt dann durch den Motor, so dass der Funktionsspalt 133 zwischen dem Rotor und dem Stator durchspült wird. Etwaige dort vorhandene Wassertröpfchen werden aus dem Bereich des Motors in die Rinne 144 verdrängt. Ferner führt das Spülgas dazu, dass etwaiges im Bereich der Rinne 144 vorhandenes Wasser und Wasserdampf anschließend durch die Bohrung 154 im Lagerdeckel 136 und durch die Bohrung 156 im Laufrad 120 in die Hohlräume 160, 162 auf beiden Seiten des Steges 158 des Laufrades eintritt und von dort durch die engen Funktionsspalten oberhalb und unterhalb des Laufrades 120 weiter in den Förderraum 116 des Verdichters verdrängt wird, so dass der Wasserdampf und flüssiges Wasser anschließend den Förderraum über den Auslasskanal 134 und/oder den Auslass 124 den Seitenkanalverdichter verlassen können. Somit wird sämtliches Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Seitenkanalverdichter ausgetrieben bzw. durch einen Verdampfungsvorgang, der ebenfalls vom Spülgas bewerkstelligt wird, verdampft und ausgestoßen, so dass keine Feuchtigkeit im Seitenkanalverdichter verbleibt, die bei Minustemperaturen zu der Einfrierung des Seitenkanalverdichters führen kann.
Das Wasser bzw. der Wasserdampf wird dann mittels des Spülgases über den Anodenkreislauf und das Ablassventil 60 vollständig aus dem Anodenkreislauf entfernt. Selbst wenn das Spülsystem nur wahlweise vorgesehen ist, dient die Bohrung 154 bei der vorliegenden Erfindung einem anderen wesentlichen Zweck.
Die Bohrung 154 ist nämlich im vorliegenden Fall deshalb vorgesehen, um im Betrieb stets einen Druckausgleich zwischen Motorraum und Förderraum zu erzielen. Die Bohrung 154 ermöglicht bei steigendem Druck im Förderraum 116 eine Strömung vom Förderraum 116 durch die Bohrung in den Motorraum 112 und bei abfallendem Druck im Förderraum 116 eine Strömung aus dem Motorraum 112 in den Förderraum. Der Begriff "Förderraum" ist hier breit auszulegen; er ist nicht beschränkt auf den Kompressionsraum zwischen dem Laufrad und dem Stator, sondern umfasst den gesamten Hohlraum, in dem das Laufrad 120 untergebracht ist. Dies gilt auch für den Turboverdichter gemäß 4.
Wäre diese Bohrung 154 nicht vorgesehen, so müsste der Druckausgleich durch eine Strömung durch das Lager 142 erfolgen, was sich als sehr ungünstig erwiesen hat, da der sich einstellende Volumenstrom das Schmiermittel und das Lager ausspült und zu frühzeitigem Versagen des Lagers führt. Anstatt eine einzige Bohrung 154 vorzusehen, werden vorzugsweise mehrere solcher Bohrungen am Lagerschild um das Lager 142 herum vorgesehen, beispielsweise sechs solche Bohrungen auf dem Umfang des Bohrungskreises. Dies gilt auch bei den Bohrungen 119, die im Lagerschild 115 um das Lager 159 herum angeordnet sind. Die Bohrungen 154 bzw. 119 werden vorzugsweise regelmäßig um die Langsachse der Motorwelle 128 herum verteilt. Damit soll eine relativ gute Säuberung und Trocknung des Motorenraumes erreicht werden.
Das Bezugszeichen 184 bezeichnet eine Kühlpassage, die zwischen dem zylindrischen Mantel 186 und dem Gehäuse 110 vorgesehen ist und im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann.
Anstatt eine Wasserkühlung vorzusehen, ist es auch durchaus denkbar, den Seitenkanalverdichter mit einer Luftkühlung zu versehen, die im einfachsten Fall dadurch erzielt werden kann, dass das Gehäuse 110 im Bereich des Ringraums 184, wo die Wasserkühlung in 2 gezeigt ist, mit ringförmigen Rippen (bspw. ähnlich dem Turboverdichter der 4) versehen ist, wobei der Mantel 186 weggelassen wird. Gegebenenfalls kann ein Kühlgebläse oder ein sonst vorgesehener Kühlluftstrom dafür verwendet werden, um Wärme vom Seitenkanalverdichter abzuführen.
Die 2 und 3 zeigen zusätzlich, wie der Seitenkanalverdichter aufgebaut ist, d.h. wo die Lager und Dichtungen sowie die Schrauben sitzen, die die einzelnen Gehäuseteile und Deckel miteinander und mit den weiteren Bauteilen verbinden. Diese Teile werden nicht extra beschrieben.
4 zeigt nun einen weiteren erfindungsgemäßen Verdichter in Form eines Turboverdichters. Für Teile, die Teilen der 1, 2 und 3 entsprechen, werden in der 4 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Es versteht sich, dass die bisherige Beschreibung auch für Teile der 4 gilt, die mit den gleichen Nummern versehen sind wie die entsprechenden Teile der 1, 2 und 3, es sei denn, etwas Gegenteiliges wird gesagt.
Die Grundkonstruktion eines Turboverdichters ist an sich gut bekannt. Der Turboverdichter 56 weist einen innerhalb eines Gehäuses 110 angeordneten Motorraum 112, einen an einem Ende 114 des Gehäuses angeordneten Förderraum 116 und einen am anderen Ende des Gehäuses angeordneten Verbindungsraum 118 auf. Der Förderraum 116 enthält ein Laufrad 120 in Form eines Turbinenrads, das gasförmigen Brennstoff über einen rohrförmigen Einlass 122 ansaugt, eine Druckerhöhung des gasförmigen Brennstoffs bewirkt und diesen anschließend über einen Auslass (nicht gezeigt) den Anodenseiten der Brennstoffzellen zuführt. Im Motorraum 112 ist ein im Gehäuse angeordneter Stator 126 sowie ein an einer Motorwelle 128 angeordneter Rotor 130 vorgesehen, wobei die Motorwelle 128 das Laufrad 120 antreibt und im Verbindungsraum 118 elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) vorgesehen sind. Der Controller 131 für den aus Stator 126 und Rotor 130 bestehenden Motor ist in diesem Beispiel im Verbindungsraum 118 innerhalb des Deckels 152 untergebracht und im Bereich des Durchgangs 135 der elektrischen Anschlusskabeln diesem gegenüber hermetisch abgedichtet. Der Controller 131 könnte jedoch, wie bei dem Seitenkanalverdichter gemäß 2 und 3 außerhalb des Verbindungsraums angeordnet werden. Die im Anodenkreislauf vorhandene Atmosphäre kann in diesem Beispiel durch die Öffnungen 119 (nur eine Öffnung ist gezeigt) in den Verbindungsraum gelangen.
Die elektrischen Anschlüsse zum Controller 131 sind in 4 nicht gezeigt, die Stromzufuhr an den Controller erfolgt aber über eine Steckverbindung. Diese Steckverbindung ist als so genannter Mil-Stecker realisiert und stellt eine hermetische Abdichtung zwischen dem Innenraum der Pumpe und der Außenumgebung sicher. Die genauen Details des Motors werden hier nicht beschrieben, da sie nicht zur Erfindung gehören. Es versteht sich aber, dass der Elektromotor nach einer bekannten Bauart ausgelegt sein kann bzw. ist.
Systembedingt hat eine Pumpe, wie der in 4 gezeigte Turboverdichter 56, kleine Spalten zwischen verschiedenen Bauteilen. Beispielsweise befindet sich zwischen dem Rotor 130 und dem Stator 120 ein kleiner Luftspalt 133, der wohl klein gehalten werden muss, um einen hohen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen. D.h. der Rotor 130 sitzt passgenau im Statorpaket des Stators 126.
Ferner schließt das Laufrad 120 mit den Schaufeln 121 knapp mit den eingrenzenden Deckeln 136 und 138 ab, die den Förderraum 116 begrenzen, so dass an diesen Stellen weitere enge Funktionsspalten 149 und 151 zwischen stationären Teilen (Lagerschild 138 und 136) und einem beweglichen Teil, hier das Laufrad 120, vorliegen. Die Spalte 149 und 151 des Turboverdichters können – müssen aber nicht – sehr eng oder dicht konstruiert sein. Das Prinzip erlaubt auch etwas größere Toleranzen und damit auch einen Kompromiss zu der damit verlorenen Effizienz des Turboverdichters. Die Konstruktion des Turboverdichters 56 wie bisher beschrieben entspricht dem bisher bekannten Aufbau eines Turboverdichters. Bauartbedingt ergibt sich im Lagerschild 138 um die Lagerung 142 herum eine Rinne 144 unterhalb des Motors, die im vorliegenden Fall mit einer Bohrung 154 vorgesehen ist. Die Bohrung 154 bei dem Turboverdichter ist etwas anders ausgelegt wie bei der eingangs erwähnten Bohrung. Es handelt sich quasi um eine Nut im Sitz des Lageraußenringes. Diese ist so angebracht, dass die Mündung der unteren Kante dicht an der Position des natürlichen Spaltes des Lagers liegt, der sich durch die Kugelebene ergibt. Damit ergibt sich auch eine Druckanpassung zwischen diesen beiden Positionen und somit auch die Ausrichtung eines anfallenden Volumenstromes durch die viel größeren Öffnungen dieser gewollten Nuten am Lager denn ungewollt durch das Lager. Die Nuten sind großzügig bemessen und stellen folglich kaum einen Druckabfall dar. Auch hier wird vorzugsweise eine Spülung beim Abschalten des Brennstoffzellenstapels über den Spülgaseinlass 150 vorgenommen, um Kondensat und auftretendes flüssiges Wasser bei Ausschaltung des Motors aus allen vorgesehenen bzw. angesprochenen engen Spalten zu vertreiben.
Die Bohrungen 154 im vorliegenden Beispiel dienen aber hauptsächlich einem anderen Zweck. Die Bohrungen 154 sind nämlich im vorliegenden Fall deshalb vorgesehen, um im Betrieb stets einen Druckausgleich zwischen Motorraum und Förderraum zu erzielen.
Obwohl die Bohrungen 154 beim Seitenkanalverdichter gemäß 2 und 3 bzw. beim Turboverdichter gemäß 4 den Volumenstrom durch das Lager 1 und 2 deutlich herabsetzen, sind sie dennoch nicht in der Lage, diesen Strom vollständig abzustellen, was aber anstrebenswert ist.
Das Problem liegt darin, dass die Bohrungen 154 auf einem großen Teilkreis liegen mit einem Radius, der größer als der Radius des Lagers 142 ist. Dies führt dazu, dass es immer eine Druckdifferenz über dem Lager 142 gibt, die ständig mit der Drehzahl moduliert. Diese Druckdifferenz entsteht deshalb, weil der Druck im Förderraum mit dem Abstand Drehachse 153 zur Motorraum korreliert. Um diesen Effekt zu erläutern, wird nunmehr auf die 5 und 6 Bezug genommen.
5 zeigt eine schematische Darstellung im Bereich des Lagers 142, des Lagerschildes 138, der Bohrung 154 und der Motorwelle 128. Aus Gründen des Zusammenbaus wird das Lager 142 von der Motorraumseite montiert. Eine Abdeckung 200 des Lagerschildes 138 bildet daher einen tiefen Anschlag 202 für den Außenring des Lagers 142 und schützt es zugleich. Der Tiefenanschlag 202 nimmt die axiale Kraft der schräg verspannten Kugel auf. Bei dem Lager kann es sich auch um die verschiedenen anderen Lagerarten handeln, beispielsweise Tonnen- und Nadellager.
Während der Außenring des Lagers 142 sich an der Abdeckung 200 bzw. am Anschlag 202 abstützen kann, muss zwischen der Abdeckung 200 und dem Innenring 206 des Lagers ein kleiner Abstand vorgesehen werden, da sonst Reibung an dieser Stelle auftreten wird. Wie bereits erläutert, fließen im Falle eines Brennstoffzellensystems lagerschädliche Medien zwischen dem Förderraum und den Motorraum. Ohne die Bohrungen 154 würden diese Medien aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Förderraum und dem Motorraum in Form eines Volumenstroms durch das Lager 142 zum Druckausgleich fließen und zu Lagerschäden führen. Um diesen Volumenstrom eine "bessere" Möglichkeit des Druckausgleichs zu bieten, werden erfindungsgemäß Bohrungen wie 154 vorgesehen. Obwohl solche Bohrungen 154 eine deutliche Besserung bieten, in dem Sinne, dass der Volumenstrom durch das Lager deutlich herabgesetzt wird, ist die Wirkung dann auch nicht ganz perfekt. Der Grund liegt darin, dass auf der Turbinenseite, d.h. im Förderraum, der Druck mit zunehmendem Abstand von der Achse 153 der Motorwelle 128 wächst. Im Motorraum ist der Druck jedoch ausgeglichen, in dem Sinne, dass der gesamte Motorraum das Druckpotential der Bohrung annimmt.
Die 6 ist eine Graphik, die den im Motorraum herrschenden Druck Pm und den im Förderraum herrschenden Druck Pf als Funktion des radialen Abstands r von der Achse 153 der Motorwelle angibt.
Wie gesagt ist der Druck Pm im Motorraum konstant, dagegen wächst der Druck Pf im Förderraum mit zunehmendem Abstand r von der Achse der Motorwelle 128. Die zwei Linien Pm und Pf kreuzen sich bei einem Wert r_b, der der Stelle der Bohrungen) 154 entspricht. Der Druck an der Stelle r_b ist P₂, das bedeutet, dass der Druck im Motorraum 112 ebenfalls P2 ist, und zwar im gesamten Motorraum 112, d.h. auch im Bereich des Lagers 142.
Benachbart zur Motorwelle bei r_w ist der Druck jedoch P₁, und man sieht aus 6, dass P₂ deutlich höher ist als P₁. Dies bedeutet, dass trotz der Bohrung 154 eine Druckdifferenz P₂ – P₁ über das Lager 142 herrscht, die zu einem Volumenstrom durch das Lager führt. Diese Druckdifferenz P₂ – P₁ wird umso kleiner, je näher die Bohrungen 154 an der Motorwelle 128 platziert werden können. Eine prinzipielle Lösung dieses Problems zeigt 7.
In 7 ist die Bohrung 154 im Lagerschild nunmehr im Bereich der Motorwelle 128 gelegt worden, so dass ein Ringspalt 210 zwischen dem Lagerschild 138 und der Motorwelle 128 entsteht. Der Spalt 210 ist immer ein Ringspalt. Er kann jedoch durch eine einfache Blechlamelle oder eine technisch „dichtere" labyrinthartige Konstruktion realisiert werden. Ähnlich einer Labyrinthdichtung würden mehrere Dichtungslippen den Austausch zwischen Verdichter und Motorraum reduzieren. Der Druck an der Stelle des Ringspalts 210 ist P₁ und das bedeutet, dass genau dieser Druck P₁ im Motorraum 112 herrscht. Der Druck im Förderraum 116 an der Stelle der bisherigen Bohrung 154, d.h. bei r_b in 5 ist weiterhin P₂, wobei P₂ größer ist als P₁. Dieser Druck P₂ ist aber nicht mehr für den Druckausgleich zuständig, sondern der Druck P₁ erfüllt diese Funktion. Da der Druck P₁ zu keiner Druckdifferenz über das Lager 142 führt, erfolgt auch kein Volumenstrom durch das Lager. Dagegen kann der Volu menstrom, der zum Druckausgleich notwendig ist (P₁ ist nicht konstant, sondern variiert im Betrieb des Brennstoffzellenstapels) durch den Spalt 212 fließen, ohne das Lager zu beeinflussen. Dies ist eine ganz wesentliche Lösung zu dem systematischen Problem der Pumpen allgemein.
Durch die erfindungsgemäße Angleichung des Druckpotentials über den gesamten Motorraum vermeidet man einen Volumenstrom durch das Lager gänzlich und damit auch alle verbundenen Nachteile. Das funktioniert immer, kostet nichts und bedarf keiner weiteren Regelung um zu funktionieren. Der Spalt 122 ist so bemessen, dass sich der variierende Druck ausgeglichen über alles verteilt und so auch das Lager mit einem beidseitig gleichen Druckniveau versorgt. Als Folge ergibt sich somit absolut kein Volumenstrom durch das Lager.
Der Motorenraum nimmt stets den Druck P₁ an, der jeweils am Spalt 210 vorliegt. Durch die großzügig optimierte Druckausgleichsebene fließt ein Volumenstrom nur durch den Spalt 212 und nicht durch das Lager. Das Lager ist daher von dem Volumenstrom befreit, die Funktion des Lagers ist gewährleistet.
8 zeigt nun wie eine praktische Ausführung des erfindungsgemäßen Vorschlages gemäß 7 realisiert werden kann. Hier wird nämlich der Lagersitz 216 über sich radial erstreckende Stege 218 vom Lagerschild 138 getragen. 8 zeigt lediglich einen solchen Steg 218. In der Praxis sollen mehrere solche Stege vorgesehen werden, die vorzugsweise gleichmäßig um die Längsachse der Motorwelle 128 verteilt angeordnet sind. Die Stege 218 sollen relativ schlank ausgebildet werden, damit sie nur einen kleinen Teil der durchströmten Fläche beanspruchen und keinen unnötigen Widerstand darstellen. Man merkt aus 8, dass die Stege 218 im radial äußeren Bereich des Lagersitzes 216 vorgesehen sind. Hier stören sie am wenigsten, da die durchströmte Fläche, d.h. der freie Strömungs querschnitt, mit zunehmendem radialen Abstand von der Längsachse 153 der Motorwelle 128 ohnehin größer wird. Wenn die Stege 218 radial um die Wellenachse angeordnet sind, so ergibt sich mit wachsendem Abstand auch ein linear wachsender Querschnitt für den Druckausgleich.
9 zeigt nunmehr eine optimierte Version der Konstruktion der 8 in einer Zeichnung, die einen Ausschnitt aus einer Zeichnung entsprechend der 2 darstellt, jedoch unter Anwendung eines bevorzugten Beispiels der erfindungsgemäßen Lösung.
Man sieht hier, dass diese Ausführungsform die Stege 218 gemäß 8 beibehält, dass aber der dem Lagersitz 216 benachbarte Bereich 220 des Lagerschildes 138 eine nach unten und auf die Motorwelle 128 zugerichtete schräg gestellte Fläche 222 aufweist, die der Drainage des im Motorraum 112 vorhandenen, aus der Dampfphase gebildeten Kondensats in Richtung des Förderraums 116 dient.
Ferner sieht man in 9 eine Lagerschutzkappe 224 oberhalb des Lagers 142, die den Lagersitz 216 überlappt und im Motorraum 112 anfallendes, aus der Dampfphase gebildetes Kondensat vom Lager 142 fernhält. Diese Lagerschutzkappe 224 ist an der Motorwelle 128 angebracht und gegenüber dieser abgedichtet. Ferner weist die Lagerschutzkappe 224 eine schräg nach unten und von der Motorwelle 128 weg verlaufende Oberseite 226 auf, die in einer radial außerhalb des Lagersitzes 216 angeordneten Tropfnase 228 ausläuft. Die Lagerschutzkappe 224 dreht sich auch mit der Welle mit und schleudert bei Betrieb auch Kondensat ab. Es ist sichergestellt, dass das Kondensat nicht in die Lager hinein kommt. Zudem stellt eine solche Konstruktion einen Strömungswiderstand dar und vermeidet ebenso einen Volumenaustausch durch das Lager.
Man merkt ferner, dass der dem Lagersitz 216 benachbarte Bereich des Lagerschilds 138 sich unterhalb des Lagersitzes radial nach innen bis kurz vor die Motorwelle erstreckt, wodurch der zur Strömungsverbindung gehörende Ringspalt 210 zwischen der Motorwelle und der Bohrung bzw. Öffnung 154 des Lagerschilds 138 vorliegt. Der Lagersitz 216 selbst ist wie bei den 7 und 8 tassenförmig ausgebildet. Als Lager 142 käme, wie gezeigt, ein Kugellager oder ein Schrägrillenlager in Frage. Das Lager 142 soll vorzugsweise mit eingebauten Dichtungen (wie 230 in 10 gezeigt) versehen werden, die ein etwaiges vorhandenes Schmiermittel im Bereich des Lagers halten und auch dazu beitragen, das Lager 142 von den es umgebenden Medien fernzuhalten. Die Kappen 230 an den Lagern sollen serienübliche Deckscheiben bzw. Dichtscheiben darstellen. Diese Deckscheiben bzw. Dichtscheiben sind prinzipiell mit einem Ringspalt von etwa 2/100 Millimeter in der Serie verwendbar. Richtig dicht sind diese nicht, sondern sollen gegen Staub schützen. Ziel wäre hier als Basis Serienlager zu verwenden, damit im Falle eines Service geringste Kosten möglich und auch die Verfügbarkeit gewährleistet ist. Die Maßnahme einer Abdeckung (224 etc.) soll ergänzt werden. Damit sind die komplizierten Lager von den anderen Maßnahmen getrennt. Üblicherweise sind die Deckscheiben bzw. Dichtscheiben aus verständlichen mechanischen Gründen an dem räumlich feststehenden Teil befestigt (damit diese nicht drehen). Hier in dem Fall ist das der äußere Lagering, der fest im Lagerschild 138 steht. Ungenauigkeiten der Fertigung spielen somit eine kleinere Rolle als wenn die Deckscheiben bzw. Dichtscheiben 230 rotieren würden.
Wie ebenfalls aus 9 ersichtlich, ist eine Schulter 232 an der Motorwelle 128 vorgesehen, die auf der oberen Seite des Lagers 142 mit dessen innerem Laufring 206 zur Anlage kommt. Dagegen wird der äußere Laufring 204 des Lagers 142 vom Anschlag 202 des Lagersitzes 216 abgestützt. Der Lagersitz 216 verläuft vom äußeren Laufring 204 radial nach innen benachbart zur Motorwelle 128 bzw. zum inneren Laufring 206, berührt diesen jedoch nicht, sondern ist durch einen kleinen Spalt 234 von diesem beabstandet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sich kein flüssiges Wasser im Lager 142 bzw. im Lagerdeckel 138 ansammelt. Das Wasser – wenn vorhanden – kann überall und jederzeit nach „unten" ablaufen.
Obwohl die Ausführung gemäß 9 am Beispiel eines Seitenkanalverdichters erläutert worden ist, kann diese Lagerkonstruktion genauso bei einem Turboverdichter gemäß 4 verwendet werden. Der Lagersitz 216 ist tassenförmig, wie beispielsweise in den 8 und 9 gezeigt. Radial wird durch die Bohrung in 216 die radiale Führung erreicht. Die axiale Verspannung des Lagers wird durch einen entsprechenden Schenkel aufgenommen, das die Tassenform bewirkt. Andererseits ist es möglich, auch Nuten in die Anlagefläche der Tasse zu modellieren, wie oben erwähnt. Das würde einen „Bypass" direkt am Lager darstellen. Jeder der hier genannten Vorschläge und Ideen kann mit den verschiedenen Pumpenprinzipien genutzt werden.
Schließlich zeigt 10 eine Möglichkeit, mit Bohrungen 154 gemäß 5 zu arbeiten, ohne den Nachteil zu erleiden, dass der Druckausgleich im Motorraum 112 bei dem ungünstigen Druck P₂, sondern bei dem günstigen Druck P₁ erfolgt. Um dies zu erreichen, wird ein Deckel 250, beispielsweise aus Blech, vorgesehen, der an einer Stelle 252 radial außerhalb der Bohrungen 154 abgedichtet am Lagerdeckel 138 angebracht ist und sich radial nach innen bis kurz vor die Motorwelle 128 erstreckt. Auch hier wird zwischen dem radial inneren Bereich des ringförmigen Deckels 250 und der Motorwelle 128 ein Ringspalt 210 gebildet, der bei dem Druck P₁ liegt. Der Volumenstrom zum Druckausgleich erfolgt daher bei dem Druck P₁, so dass auch hier keine Druckdifferenz über das Lager 142 vorliegt. Im vorliegenden Fall wird das Lager 142 durch ein Schrägrillenlager gebildet, das mit Dichtungen bzw. Staubdeckeln 230 versehen ist.
Die Montage des ringförmigen Deckels am Lagerdeckel 138 erfolgt in diesem Beispiel durch eine Ringnut 256 im Lagerdeckel, die den umgefalteten Rand 258 des Ringdeckels aufnimmt, wobei zwischen dem Rand 258 des Ringdeckels 250 und der inneren Wand der Nut 256 eine Ringdichtung 254 vorgesehen ist, die sicherstellt, dass der Druck P₁ an der Stelle der Bohrungen 154 von der Bohrung 154 ferngehalten wird. Die umlaufende Nut 256 für die Abkantung vom Deckel 252 erlaubt diesen Deckel 250 umlaufend dicht anzubringen und somit das Druckniveau an der Stelle des Ringspaltes 210 über den gesamten Motorraum herrschen zu lassen. Der O-Ring 254 dichtet das Teil stets sicher und einfach. Diese Lösung funktioniert immer und erlaubt auch, bestehende Pumpen nachträglich umzubauen, um das Problem zu lösen bzw. zu reduzieren. Für eine Serie wird man die Elemente in weniger Teile integrieren und somit simpler und sicherer gestalten.

Claims

Nach außen abgedichtete Pumpe (60) für ein gasförmiges, eine Dampfphase enthaltendes Medium, insbesondere ein Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf, mit einem in einem Motorraum (112) angeordneten Motor (126, 130), der eine Motorwelle (128) antreibt, mit einem in einem Förderraum angeordneten, von der Motorwelle angetriebenen Förderorgan (120) und mit einem von einem zwischen dem Motorraum (112) und dem Förderraum (116) vorgesehenen Lagerschild (138) getragenen, in einem Lagersitz (216) angeordneten und die Motorwelle (128) drehbar lagernden Lager (142), dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsverbindung (154) zwischen dem Förderraum (116) und dem Motorraum (112) vorgesehen ist, die außerhalb des Lagers (142) angeordnet ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung im Lagerschild (138) vorgesehen ist.
Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung durch eine Bohrung (154) oder durch mehrere um die Achse (153) der Motorwelle herum angeordneten Bohrungen (154) gebildet ist.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung durch mindestens einen Kanal (212) gebildet ist, der sich von einer benachbart zur Motorwelle angeordneten Stelle (210) zwischen dem Lagersitz (216) und dem dem Lagersitz benachbarten Bereich des Lagerschilds (138) bis zum Motorraum erstreckt.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle (128) zumindest im Wesentlichen vertikal angeordnet ist mit dem sich im Lagersitz (216) befindlichen Lager (142) oberhalb des dem Lagersitz benachbarten Bereich des Lagerschildes (138) und dass die Strömungsverbindung (212) unterhalb des Lagersitzes angeordnet ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (216) durch Stege (218) vom benachbarten Bereich des Lagerschilds (138) getragen ist und die Strömungsverbindung (212) um die Stege herumgeführt ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung aus mehreren sich radial von der Motorwelle (128) weg erstreckenden Kanälen (212) besteht.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Lagersitz (216) benachbarte Bereich des Lagerschildes (138) eine nach unten und auf die Motorwelle (128) zu gerichtete, schräg gestellte Fläche (222) aufweist, die der Drainage des aus der Dampfphase gebildeten Kondensats aus dem Motorraum (112) in Richtung des Förderraums (116) dient.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerschutzkappe (224) oberhalb des Lagers (142) und des Lagersitzes (216) diesen überlappend angeordnet ist und im Motorraum (112) anfallendes, aus der Dampfphase gebildetes Kondensat vom Lager (142) fernhält.
Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschutzkappe (224) an der Motorwelle (128) angebracht ist und gegenüber dieser abgedichtet ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschutzkappe (224) eine schräg nach unten und von der Motorwelle (128) weg verlaufende Oberseite (226) aufweist.
Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschutzkappe eine Tropfnase (228) aufweist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Seitenkanalverdichter handelt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Turboverdichter handelt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Lagersitz (216) benachbarte Bereich des Lagerschilds (138) sich unterhalb des Lagersitzes radial nach innen bis kurz vor die Motorwelle (128) erstreckt, wobei ein zur Strömungsverbindung gehörender Spalt (210) zwischen der Motorwelle (228) und dem Lagerschild (138) vorliegt.
Pumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Spalt (210) um einen Ringspalt handelt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (216) tassenförmig ausgebildet ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (142) ein Kugellager oder ein Schrägrillenlager ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (142) mit eingebauten Dichtungen (230) bzw. Deckscheiben versehen ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (216) einen Tiefenanschlag (202) für das Lager (142) bildet.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schulter (232) an der Motorwelle (128) vorgesehen ist, die auf der oberen Seite des Lagers mit dessen innerem Laufring (206) zur Anlage kommt.
Pumpe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager einen äußeren Laufring (230) aufweist, der vom Lagersitz (216) abgestützt wird.
Pumpe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (216) vom äußeren Laufring (204) radial nach innen benachbart zur Motorwelle (128) bzw. zum inneren Laufring (206) verläuft, diesen jedoch nicht berührt, so dass ein kleiner Spalt (232) zwischen dem sich radial nach innen erstreckenden Bereich (200) des Lagersitzes und der Motorwelle (128) bzw. dem Lagerinnenring (206) verbleibt.
Pumpe nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Ringdeckel (250), der dem Lagerschild (138) radial außerhalb der Bohrung (154) bzw. der Bohrungen (154) angebracht und abgedichtet ist und mit der Motorwelle (128) einen Ringspalt (210) bildet.