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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor, der z.B.
zu einer Brennstoffzelle zugeführtes
Gas komprimiert.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentveröffentlichung
Nr. 2002-295386
offenbart einen Kompressor mit einem Gaskühler, in welchem aus Kompressionskammern
abgegebenes Abgas gekühlt
wird, um die stromabwärts
des Kompressors vorgesehenen Leitungen gegen Hitze zu schützen (siehe
Seiten 3 bis 5 und 1 der Druckschrift). Der Kompressor
der obigen Druckschrift ist ein Scroll-Kompressor, der mit einer
hinteren Kühlkammer
an der Rückseite
eines festen Scroll-Elements
(Schneckenelements) des Kompressors versehen ist. Der Gaskühler, in
dem das Abgas strömt,
ist so angeordnet, dass er an die hintere Kühlkammer angrenzt. Der Gaskühler ist
speziell so gebaut, dass sowohl das Gas in den Kompressionskammern
als auch das Abgas im Gaskühler
durch Kühlwasser
gekühlt
werden, das als Kühlmittel
dient, welches in der hinteren Kühlkammer
strömt.
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Da
jedoch bei der obigen Druckschrift das Kühlwasser in der hinteren Kühlkammer
durch Wärme
des Abgases erwärmt
wird, kann das Gas in den Kompressionskammern nur schlecht gekühlt werden, sodass
die Befürchtung
bestand, dass die Kühleffizienz
des Abgases verringert wird. Zusätzlich
gab es eine andere Befürchtung,
dass nämlich
das Gas in den Kompressionskammern nicht ausreichend durch das Kühlwasser
in der hinteren Kühlkammer
gekühlt wird,
sondern im Gegenteil erst durch das Kühlwasser in der hinteren Kühlkammer
erwärmt
wird, wenn die Temperatur des Kühlwassers
in der hinteren Kühlkammer
aufgrund der Wärme
des Abgases höher
als jene des Gases in den Kompressionskammern wird. Die Kontaktfläche (oder
Wärmeabstrahlungsfläche), über die
die hintere Kühlkammer
und der Gaskühler über eine
Trennwand miteinander in Kontakt gebracht sind, neigt dazu, mit
dem Bedarf an Kühlung
des Abgases im Gaskühler
größer zu werden.
Da die Kontaktfläche
vergrößert wird,
neigt jedoch das Kühlwasser
in der hinteren Kühlkammer dazu,
von der Wärme
des Abgases erwärmt
zu werden.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf einen Kompressor gerichtet, der die
Abgaskühleffizienz
verbessert, während
er einen Effizienzabfall der Kühlung des
Gases in einer Kompressionskammer in Grenzen hält.
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Die
vorliegende Erfindung hat die folgenden Merkmale. Ein Kompressor,
der durch ein Kühlmittel gekühlt wird,
beinhaltet eine Kompressionskammer, eine erste Kühlkammer und eine zweite Kühlkammer. In
der Kompressionskammer wird das Gas komprimiert und dann daraus
abgelassen. Die erste Kühlkammer,
in die das Kühlmedium
strömt,
ist so vorgesehen, dass sie an die Kompressionskammer angrenzt,
um das Gas in der Kompressionskammer zu kühlen. Die zweite Kühlkammer
weist eine Gasleitung, in welcher das abgelassene Gas fließt, und
eine Kühlmittelleitung,
in welcher das Kühlmittel
fließt,
auf. Die Kühlmittelleitung
ist so angeordnet, dass sie die Übertragung
von Wärme
des Abgases in der Gasleitung auf das Kühlmittel in der ersten Kühlkammer
unterdrückt.
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Andere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
offensichtlich, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die im Zuge
eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung, die als neu angesehen werden,
werden insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung,
zusammen mit Aufgaben und Vorteilen kann am besten unter Bezug auf
die folgende Beschreibung der zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen zusammen
mit den beigefügten
Zeichnungen verstanden werden:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht, die einen elektrischen Scroll-Kompressor
und eine Kühlwasserleitung
entsprechend einer ersten und bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ist
eine schematische Schnittansicht, die das Strömen des Kühlwassers in einer hinteren Kühlkammer
entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 ist
eine schematische Vorderansicht, die den Kompressor entsprechend
der ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist
eine teilweise vergrößerte schematische
Schnittansicht, die das Positionsverhältnis zwischen Rohren und der
hinteren Kühlkammer
entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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5 ist
eine schematische Schnittansicht, die einen elektrischen Scroll-Kompressor
und eine Kühlwasserleitung
entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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6 ist
eine teilweise vergrößerte schematische
Schnittansicht, die das Positionsverhältnis zwischen Rohren und der
hinteren Kühlkammer
entsprechend einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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7 ist
eine teilweise vergrößerte schematische
Schnittansicht, die das Positionsverhältnis zwischen Rohren und der
hinteren Kühlkammer
entsprechend noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Wege zur Ausführungsform
der Erfindung
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Eine
erste bevorzugte Ausführungsform
wird nun in Bezug auf 1 bis 4 beschrieben.
Die vorliegende bevorzugte Ausführungsform
wird auf einen Kompressor angewendet und wird insbesondere auf einen
elektrischen Scroll-Kompressor angewendet, der für eine Brennstoffzelle in einem
elektrischen Fahrzeug verwendbar ist.
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Unter
Bezug auf 1 verdichtet ein elektrischer
Scroll-Kompressor,
der als Scroll-Kompressor dient, Gas, welches einer Brennstoffzelle
FC in einem elektrischen Fahrzeug zugeführt wird. Im Folgenden wird
der elektrische Scroll-Kompressor
lediglich als Kompressor bezeichnet. Insbesondere wird in der vorliegenden
bevorzugten Ausführungsform
der Kompressor zum Verdichten von Luft verwendet, die einer Brennstoffzelle
FC zugeführt
wird.
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Die
Kompressorgeschwindigkeit wird so gesteuert, dass der Kompressor
die Luftmenge erhöht, die
der Brennstoffzelle FC für
eine gegebene Zeitspanne zugeführt
wird, wenn die Fahrgeschwindigkeit des elektrischen Fahrzeugs erhöht wird,
während
er die Luftmenge verkleinert, wenn die Fahrgeschwindigkeit des elektrischen
Fahrzeugs verringert wird. Selbst wenn das elektrische Fahrzeug
wegen einer roten Ampel steht, wird der Kompressor weiter mit einer
relativ niedrigen Geschwindigkeit angetrieben, um andere elektrische
Einrichtungen wie z.B. einen elektrischen Kühlmittelkompressor für eine Klimaanlage
anzutreiben. In 1 ist die linke Seite des Kompressors
jeweils die Vorderseite und die rechte Seite ist die Rückseite.
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Nun
wird der Aufbau des Kompressors beschrieben. Immer noch unter Bezug
auf 1 beinhaltet der Kompressor einen Verdichtungsmechanismus
und einen elektrischen Motor. Ein Gehäuse des Kompressors oder ein
Kompressorgehäuse
beinhaltet eine erste Gehäuseeinheit 11 auf
der Seite des Verdichtungsmechanismus und eine zweite Gehäuseeinheit 12,
die mit dem hinteren Ende der ersten Gehäuseeinheit 11 auf
der Seite des elektrischen Motors verbunden ist. Die erste Gehäuseeinheit 11 und
die zweite Gehäuseeinheit 12 sind
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Eine Drehwelle 13 wird
von einem Lager 14 in der ersten Gehäuseeinheit 11 und
einem Lager 15 in der zweiten Gehäuseeinheit 12 im Kompressorgehäuse drehbar
gelagert.
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In
der zweiten Gehäuseeinheit 12 ist
ein elektrischer Motor M vorgesehen, der einen Rotor 16, welcher
auf der Drehwelle 13 zur Drehung mit ihr fest angebracht
ist, und einen Stator 17 umfasst, der auf der inneren Randfläche der
zweiten Gehäuseeinheit 12 so
befestigt ist, dass sie den Rotor 16 umgibt.
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Die
erste Gehäuseeinheit 11 umfasst
ein festes Scroll-Element 20, ein vorderes Gehäuseelement 21 und
ein hinteres Gehäuseelement 22.
Das vordere Ende des festen Scroll-Elements 20 ist fest mit dem
hinteren Ende des vorderen Gehäuseelements 21 verbunden.
Das hintere Ende des festen Scroll-Elements 20 ist fest
mit dem vorderen Ende des hinteren Gehäuseelements 22 verbunden.
Das feste Scroll-Element 20 weist
eine feste Basisplatte 20a und eine feste spiralförmige Wand 20b auf,
die sich von der hinteren Oberfläche
der festen Basisplatte 20a erstreckt.
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Eine
Hauptkurbelwelle 23 erstreckt sich vorwärts aus dem Vorderende der
Drehwelle 13 und ist von der Achse L der Drehwelle 13 um
einen vorbestimmten Exzentrizitätsabstand
versetzt. Ein bewegliches Scroll-Element 24 wird von der
Hauptkurbelwelle 23 durch ein Lager 25 drehbar
gelagert, so dass es dem festen Scroll-Element 20 zugewandt
ist.
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Das
bewegliche Scroll-Element 24 umfasst eine bewegliche Basisplatte 24a,
die im Wesentlichen scheibenförmig
ist, sowie eine bewegliche Spriralwand 24b, die sich von
der vorderen Oberfläche der
beweglichen Basisplatte 24a erstreckt. Das feste und bewegliche
Scroll-Element 20 und 24 sind so angeordnet, dass
sie miteinander eingreifen. Die distalen Endoberflächen der
festen und beweglichen Spiralwände 20b und 24b sind
mit den einander zugewandten beweglichen und festen Basisplatten 24a bzw. 20a in
Kontakt. Die feste Spiralwand 20b überlappt die bewegliche Spiralwand 24b,
um sich miteinander an einer Vielzahl von Punkten zu berühren. Daher
definieren die feste Basisplatte 20a und die feste Spiralwand 20b des
festen Scroll-Elements 20 sowie die bewegliche Basisplatte 24a und
die bewegliche Spiralwand 24b des beweglichen Scroll-Elements 24 eine
Vielzahl von Kompressionskammern 26, die als geschlossener
Raum dienen.
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Ein
Zylinder 24c erstreckt sich axial aus dem Mittelabschnitt
der beweglichen Basisplatte 24a zur vorderen und hinteren
Seite des Kompressors, um darin die Hauptkurbelwelle 23 aufzunehmen.
Der Zylinder 24c in an seinem Vorderende von einer Bodenwand
verschlossen und an seinem hinteren Ende offen. Daher steht die
Hauptkurbelwelle 23 in den Zylinder 24c von der
beweglichen Basisplattenseite 24a zur festen Basisplatte 20a hervor.
Dementsprechend wird der Kompressor entlang der Achse L der Drehwelle 13 um
eine Länge
der Hauptkurbelwelle 23 verkürzt, die aus der beweglichen
Basisplatte 24a zur festen Basisplatte 20a hervorsteht.
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Eine
Ausstoßöffnung 20c ist
im Scroll-Element 20 im Wesentlichen in der Mitte der festen
Basisplatte 20a gebildet. Ein Auslass 21a ist
im Wesentlichen in der Mitte des vorderen Gehäuseelements 21 auf
der Vorderseite des festen Scroll-Elements 20 gebildet.
Das feste Scroll-Element 20 und das bewegliche Scroll-Element 24 definieren
eine mittlere Kammer 27 im Wesentlichen im mittleren Teil
der Wicklung der festen Spiralwand 20b auf der Rückseite
des festen Scroll-Elements 20. Die Ausstoßöffnung 20c verbindet
den Auslass 21a mit der mittleren Kammer 27. Ein
Luftfilter 28 ist in der Ausstoßöffnung 20c angeordnet.
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Drei
Naben 24d sind auf der beweglichen Basisplatte 24a des
beweglichen Scroll-Elements 24 gebildet, wobei sie sich
von der Rückseite
der beweglichen Basisplatte 24a oder von der hinteren Oberfläche davon
erstrecken (nur eine Nabe 24d ist in 1 gezeigt).
Die Naben 24d sind in Abständen von 120° in einer
Umfangsrichtung der beweglichen Basisplatte 24a angeordnet.
Eine Hilfskurbelwelle 31 wird von jeder Nabe 24d über ein
Lager 32 gelagert. Drei Vertiefungen 22a sind
in der vorderen Oberfläche
des hinteren Gehäuseelements 22 gebildet,
so dass sie den jeweiligen Naben 24d zugewandt sind. Ein
Lager 33 ist in jeder Vertiefung 22a vorgesehen, um
die entsprechenden Hilfskurbelwellen 31 drehbar zu lagern.
Die Hilfskurbelwellen 31, die Lager 32 und 33,
die Naben 24d und die Vertiefungen 22a stellen einen
Mechanismus 34 zur Verhinderung einer Selbstdrehung dar.
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Nun
wird eine Leitung für
Kühlwasser,
das als Kühlmedium
im elektrischen Fahrzeug dient, und eine Leitung für Gas, das
aus der Kompressionskammer 26 ausgestoßen wurde, beschrieben.
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Das
elektrische Fahrzeug ist mit einer Zirkulationsleitung 36 für Kühlwasser
zum Kühlen
der Brennstoffzelle FC versehen. Die Zirkulationsleitung 36 umfasst
einen Kühler 37 und
eine Wasserpumpe 38. Der Kühler 37 dient als
Wärmetauscher.
Das Kühlwasser,
dessen Temperatur durch das Kühlen der
Brennstoffzelle FC erhöht
wurde, wird vom Kühler 37 abgekühlt und
dann von der Wasserpumpe 38 zum Kühlen der Brennstoffzelle FC
zugeführt.
Daher wird das Kühlwasser
in der Leitung zum Kühlen
der Brennstoffzelle FC wieder in Umlauf gebracht.
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Der
elektrische Motor M ist von einem Wassermantel 39 umgeben,
der als Motorkühlelement dient.
Ein Teil des Kühlwassers
in der Zirkulationsleitung 36 wird in den Wassermantel 39 durch
eine Leitung 40 eingeführt,
die aus der Zirkulationsleitung 36 zwischen der Wasserpumpe 38 und
der Brennstoffzelle FC abzweigt. Dadurch wird der elektrische Motor
M gekühlt.
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Im
festen Scroll-Element 20 ist die vordere Oberfläche der
festen Basisplatte 20a oder die Hinterseite der festen
Basisplatte 20a in Bezug auf die Kompressionskammern 26 mit
Vertiefungen ausgebildet. Die vertieften Abschnitte auf der vorderen Oberfläche der
festen Basisplatte 20a sind mit dem vorderen Gehäuseelement 21 abgedeckt,
wodurch eine hintere Kühlkammer 41 zum
Kühlen
der Kompressionskammern 26 definiert wird. Das Kühlwasser,
welches durch den Wassermantel 39 geströmt ist, fließt durch
eine Leitung 42 in diese hintere Kühlkammer 41.
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Die
hintere Kühlkammer 41 ist
so angeordnet, dass sie an die Kompressionskammern 26 angrenzt,
so dass der Wärmeaustausch
zwischen dem Kühlwasser
in der hinteren Kühlkammer 41 und
der Luft in den Kompressionskammern 26 durchgeführt wird,
mit dem Ergebnis, dass die Luft in den Kompressionskammern 26 gekühlt wird
und daher der Temperaturanstieg der Luft in den Kompressionskammern 26 geregelt
wird.
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Ein
Einlass 41a der hinteren Kühlkammer 41 ist auf
der oberen Seite gebildet und ein Auslass 41b der hinteren
Kühlkammer 41 ist
auf der unteren Seite der Kühlkammer 41 gebildet,
wie aus 1 ersichtlich. Wie in 2 gezeigt,
ist ein Paar von Führungswänden 44 in
der hinteren Kühlkammer 41 ausgebildet.
Jede Führungswand 44 ist
so geformt, dass sie sich im Wesentlichen halb um eine zylindrische
Wand 22d erstreckt, welche die Ausstoßöffnung 20c definiert,
zwischen dem Einlass 41a und dem Auslass 41b.
Daher wird das in die hintere Kühlkammer 41 vom
Einlass 41a fließende
Kühlwasser
in zwei Kühlwasserströme aufgeteilt.
Jeder Kühlwasserstrom
bewegt sich halb um die zylindrische Wand 20d, während er
von der entsprechenden Führungswand 44 geführt wird,
und bewegt sich dann aus der hinteren Kühlkammer 41 durch
den Auslass 41b heraus.
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Wie
in 1 und 3 gezeigt, ist ein Zwischenkühler 51 auf
der vorderen Oberfläche
des vorderen Gehäuseelements 21 angeordnet.
Der Begriff "Zwischenkühler" wird aufgrund des
gekühlten
Gases verwendet, welches in eine Vorrichtung (oder die Brennstoffzelle
FC in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform) einfließt, die
stromabwärts
des Kompressors platziert ist. Der Zwischenkühler 51 ist in einer
versetzten Beziehung zur Mitte des vorderen Gehäuseelements 21 angeordnet.
Insbesondere ist der Zwischenkühler 51 auf
dem vorderen Gehäuseelement 21 nach
unten und zum Leser hin versetzt, wie in 1 gesehen
werden kann (oder nach rechts, wie in 3 gesehen
werden kann). Der Zwischenkühler 51 ist
mit dem Kompressor integriert.
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Ein
Gehäuse 52 des
Zwischenkühlers 51 hat die
Form einer Schachtel und ist an einem Ende geöffnet. Die Öffnung des Gehäuses 52 ist
vom vorderen Gehäuseelement 21 abgedeckt,
um dadurch einen Innenraum des Gehäuses 52 zu definieren,
der als Kühlkammer 52a für das Abgas
dient.
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Eine
Gasleitung 53 und eine Kühlmittelleitung 54 sind
im Innenraum des Gehäuses 52 ausgebildet.
Das Gas oder Luft in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform,
das aus den Kompressionskammern 26 ausgestoßen wurde,
strömt
in die Gasleitung 53. Das Kühlmittel oder Kühlwasser
in der vorliegenden Ausführungsform
strömt
in die Kühlmittelleitung 54.
Eine Vielzahl von verzweigten Rohren 54a erstreckt sich
im Gehäuse 52 vertikal.
Wie aus 4 ersichtlich, ist jedes Rohr 54a im
Querschnitt flach und die äußere Hülle davon
weist eine vorbestimmte Dicke auf. Zum Zweck der Veranschaulichung
ist die äußere Hülle der
Rohre 54a in 1 mit Linien dargestellt. Sie
ist so angeordnet, dass die Kühlmittelleitung 54,
durch welche das Kühlwasser fließt, vom Innenraum
der Rohre 54a bereitgestellt wird, und die Gasleitung 53,
durch welche das Abgas oder die Luft fließt, von dem Raum außerhalb
der Rohre 54a im Gehäuse 52 bereitgestellt
wird.
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Wie
in 1 und 4 gezeigt, sind die Rohre 54a auf
der Seite der hinteren Kühlkammer 41 vorgesehen,
so dass sie am vorderen Gehäuseelement 21 angrenzen,
und zwar auf getrennte Weise. Daher grenzt die Gasleitung 53 nicht
an die hintere Kühlkammer 41 an
einer Stelle an, wo die an das vordere Gehäuseelement 21 angrenzenden
Rohre 54a vorhanden sind.
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Ein
Einlass 54b der Kühlmittelleitung 54 ist am
Boden des Zwischenkühlers 51 gebildet
und mit dem Auslass 41b der hinteren Kühlkammer 41 durch eine
Einströmleitung 56 verbunden.
Ein Auslass 54c der Kühlmittelleitung 54 ist
auf der Oberseite des Zwischenkühlers 51 gebildet
und mit dem Kühler 37 über eine
Ausströmleitung 57 und
eine Leitung 58 verbunden.
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Die
Gasleitung 53 ist so gebildet, dass das Gas oder die Luft
um eine Wand 59 strömt,
die sich senkrecht zur Ebene der 1 oder in
einer horizontalen Richtung in 3 vom oberen
Bereich der Wand 59 erstreckt und an einem Ende der Wand 59 zum
unteren Bereich davon umkehrt, wie durch die umrissenen Pfeile in 3 angedeutet
ist. Wie in 3 gezeigt, ist ein Einlass 53a der
Gasleitung 53 auf der Oberseite des Zwischenkühlers 51 ausgebildet
und obwohl er auf der entfernten Seite des Zwischenkühlers 51 in 1 versteckt
ist. Der Einlass 53a ist mit dem Auslass 21a verbunden.
Wie in 3 gezeigt, ist ein Auslass 53b auf der
unteren Seite des Zwischenkühlers 51 oder
unter dem Einlass 53a ausgebildet. Der Auslass 53b ist
nach vorne offen und mit der Brennstoffzelle FC durch einen Gummischlauch 60 verbunden,
der als die Leitung dient, die stromabwärts im den Zwischenkühler 51 umfassenden
Kompressor platziert ist.
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Wie
in 1 gezeigt, sind in der Gasleitung 53 Lamellen 61 angeordnet.
Die Lamellen 61 sind mit den Rohren 54a in Kontakt
und zick-zack-artig zwischen jeweils zwei benachbarten Rohren 54a angeordnet.
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Im
Folgenden wird die Funktion des zuvor genannten Kompressors beschrieben.
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Wenn
die Drehwelle 13 vom elektrischen Motor M gedreht wird,
kreist das Scroll-Element 24 mittels der Hauptkurbelwelle 23 um
die Achse L der Drehwelle 13. Zur gleichen Zeit verhindert
der Selbstdrehungsverhinderungsmechanismus 34, dass das
bewegliche Scroll-Element 24 sich von selbst dreht, während es
dem beweglichen Scroll-Element 24 erlaubt, um die Achse
L der Drehwelle 13 zu kreisen. Wenn die Kompressionskammern 26 durch
die umlaufende Bewegung des beweglichen Scroll-Elements 24 vom äußeren Rand der
festen und beweglichen Spiralwand 20b und 24b nach
innen bewegt werden, verringern die Kompressionskammern 26 ihr
Volumen.
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Im
Kompressor wird die Luft, die dem Kompressor zugeführt wird,
von der äußeren Randseite der
festen und beweglichen Spiralwände 20b und 24b in
die Kompressionskammern 26 eingeführt. Dann wird die Luft durch
die zuvor genannte Bewegung der Kompressionskammern 26 komprimiert. Die
komprimierte Luft wird aus den Kompressionskammern 26 ausgestoßen, die
sich dann durch die mittlere Kammer 27, die Auslassöffnung 20c und
den Auslass 21a der Mitte der festen Basisplatte 20a angenähert haben.
Die aus den Kompressionskammern 26 durch den Einlass 21a ausgestoßene Luft strömt dann
vom Einlass 53a in die Gasleitung 53 des Zwischenkühlers 51.
In der Gasleitung 53 strömt die Luft wie durch die umrissen
gezeigten Pfeile in 3. Die Luft in der Gasleitung 53 strömt aus dem Auslass 53b aus,
um durch den Gummischlauch 60 der Brennstoffzelle FC zugeführt zu werden.
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Andererseits
wird das Kühlwasser,
das vom Kühler 37 gekühlt, von
der Wasserpumpe 38 unter Druck versetzt und durch die Leitung 40 geströmt wird,
dem Wassermantel 39 zugeführt, um dadurch den elektrischen
Motor M zu kühlen.
Das Kühlwasser,
das durch den Wassermantel 39 geflossen ist, fließt dann
durch die Leitung 42 in die hintere Kühlkammer 41 zurück. In der
hintere Kühlkammer
strömt das
Kühlwasser
wie durch die Pfeile in 2 gezeigt, um dadurch die Luft
zu kühlen,
die in die Kompressionskammern 26 eingeführt wird
und komprimiert wird. Selbst wenn der elektrische Motor M während seines
Betriebs Wärme
erzeugt, wird die Luft in den Kompressionskammern 26 ausreichend
gekühlt,
da die Temperatur des erwärmten
elektrischen Motors M niedriger als jene der Luft ist, die in die
Kompressionskammer 26 eingeführt wird und dort komprimiert wird.
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Das
Kühlwasser,
das durch die hintere Kühlkammer 41 und
aus dem Auslass 41b geströmt ist, fließt durch
die Einströmleitung 56 und
den Einlass 54b wie durch die Pfeile in 3 gezeigt
in die Kühlmittelleitung 54.
Das Kühlwasser,
das in die Kühlmittelleitung 54 eingeführt wurde,
wird in eine Vielzahl von Rohren 54a aufgeteilt, um die
Abluft in der Gasleitung 53 zu kühlen. Der Wärmetausch zwischen dem Kühlwasser
in der Kühlmittelleitung 54 und
der Abluft in der Gasleitung 53 wird durch die äußere Hülle der
Rohre 54a und die Lamellen 61 durchgeführt. Da
die Temperatur der Luft in den Kompressionskammern 26 geringer
ist als jene der Abluft, wird die Abluft durch das Kühlwasser
ausreichend gekühlt.
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Das
Kühlwasser
in den Rohren 54a, das sich neben dem vorderen Gehäuseelement 21 befindet, absorbiert
in der Gasleitung 53 die Wärme der Abluft. Daher wird
die Wärmeübertragung
von der Abluft in der Gasleitung 53 zur hinteren Kühlkammer 41 verringert.
Die Abluft in der Gasleitung 53 wird auf eine solche Temperatur
gekühlt,
bei der der Gummischlauch 60 seine Funktion geeignet durchführen kann,
ohne seine Qualität
zu verschlechtern.
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Die
Kühlwasserströme, die
durch die Kühlmittelleitung 54 geflossen
sind, vereinigen sich an der Oberseite des Zwischenkühlers 51 und
werden durch die Einströmleitung 57 und
die Ausströmleitung 58 zum
Kühler 37 zurückgeführt, um
gekühlt
zu werden. Das Kühlwasser,
das vom Kühler 37 gekühlt worden ist,
wird von der Wasserpumpe 38 wieder in die Brennstoffzelle
FC eingeführt,
um die Brennstoffzelle FC zu kühlen.
Das Kühlwasser,
das vom Kühler 37 gekühlt wurde,
wird von der Wasserpumpe 38 auch in den Wassermantel 39 eingeführt.
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Die
vorliegende bevorzugte Ausführungsform
erzielt die folgenden vorteilhaften Wirkungen.
- (1)
Wie zuvor erwähnt,
fließt
das Kühlwasser durch
die hintere Kühlkammer 41,
um die Luft in den Kompressionskammern 26 zu kühlen, worauf das
Kühlwasser
durch die Rohre 54a strömt,
die die Kühlmittelleitung 54 darstellen,
um die Abluft zu kühlen.
Daher wird die Abluft, deren Temperatur höher ist als jene der Luft in
den Kompressionskammern 26, ausreichend gekühlt.
- (2) Die Rohre 54a auf der Seite der hinteren Kühlkammer 41 sind
so vorgesehen, dass sie an dem vorderen Gehäuseelement 21 anliegen,
und daher wird die Übertragung
der Wärme
der Abluft in der Gasleitung 53 auf das Kühlwasser
in der hinteren Kühlkammer 41 verringert.
So wird eine Verschlechterung der Kühleffizienz der Luft in den Kompressionskammern 26 aufgrund
der Wärme der
Abluft verhindert und des Weiteren wird die Kühleffizienz der Abluft verbessert.
Daher wird die Abluft, wenn sie durch den Zwischenkühler 51 geströmt ist und
aus dem Kompressor ausgestoßen worden
ist, ausreichend in einem solchen Ausmaß gekühlt, dass die Temperatur der
Abluft keine Degradierung des Gummischlauchs 60 verursacht.
- (3) Das Kühlwasser
strömt
in die hintere Kühlkammer 41 zurück, nachdem
es in den Wassermantel 39 geflossen ist, um den elektrischen
Motor M zu kühlen.
Da die Temperatur des elektrischen Motors M niedriger als jene der
Luft in den Kompressionskammern 26 ist, selbst wenn der
elektrische Motor M während
seines Betriebs Wärme
erzeugt, werden die Luft in den Kompressionskammern 26 und
die Abluft ausreichend gekühlt.
Im Vergleich mit einem Fall, in dem die Leitungen für die Zufuhr
des Kühlwassers
zum Wassermantel 39 und die Leitungen für die Zufuhr des Kühlwassers
zur hinteren Kühlkammer 41 und
dem Zwischenkühler 51 separat
vorgesehen werden, ist es nicht nötig, eine Leitung für die Rückführung des
Kühlwassers
vom Wassermantel 39 zum Kühler 37 in der oben
beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
anzuordnen. Daher wird die Länge
der im Kompressor eingesetzten Leitungen verkürzt und eine komplizierte Leitungsanordnung
wird vermieden.
- (4) Der Kompressor komprimiert Gas, oder in der vorliegenden
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Luft, die einer Brennstoffzelle FC zuführt wird.
Im Hinblick auf das Problem des Wärmewiderstands der Brennstoffzelle
FC muss die Luft hoher Temperatur, die aus dem Kompressor ausgestoßen wird,
gekühlt
werden. Der Kompressor entsprechend der vorliegenden bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der die Gasleitung 53 und die
Kompressionskammer 54 aufweist, kann die Kühleffizienz
der Abluft verbessern, während
er eine Verschlechterung der Kühleffizienz
der Luft in den Kompressionskammern 26 begrenzt. Daher
ist der Kompressor entsprechend der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform
vorteilhaft auf eine Brennstoffzelle anwendbar.
- (5) Es ist in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, dass die Kühlmittelleitung 54 eine
Vielzahl von verzweigten Rohren 54a umfasst, durch welche
das Kühlwasser
fließt,
und dass die Abluft durch die Gasleitung 53 außerhalb
der Rohre 54a fließt.
Da die Lamellen 61 in der Gasleitung 53 angeordnet
sind, wird die Kühleffizienz
der Abluft verbessert. Zusätzlich kann
die Gasleitung 53 leicht weiter gemacht werden, da sie
außerhalb
der Rohre 54a angeordnet ist, im Vergleich mit einem Fall,
in dem im Gegenteil die Abluft innerhalb der Rohre 54a fließt und bei
dem das Kühlwasser
außerhalb
der Rohre 54a fließt,
wodurch es der Abluft erlaubt wird, ungehindert zu fließen. So
kann ein Anstieg der Arbeitsbelastung des Kompressors leicht begrenzt werden.
- (6) Der Kompressor der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform
ist so konzipiert, dass er Luft komprimiert, die einer in einem
elektrischen Fahrzeug eingesetzten Brennstoffzelle zugeführt wird. Da
in dem elektrischen Fahrzeug der für den zuvor genannten Kompressor
verfügbare
Raum recht begrenzt ist, ist daher ein kompakter Zwischenkühler 51 notwendig.
Daher kann die Anordnung der Lamellen 61 es dem Zwischenkühler 51 ermöglichen,
kompakt gemacht zu werden, und hilft auch, die Kühleffizienz der Luft in den
Kompressionskammern 26 zu verbessern.
- (7) Die hintere Kühlkammer 41 ist
auf solche Weise angeordnet, dass das Kühlwasser in zwei Strömungen aufgeteilt
wird und jede Strömung
sich halb um die zylindrische Wand 20d herum bewegt, während sie
von der entsprechenden Führungswand 44 geführt wird.
Im Vergleich mit einem Fall, bei dem der Einlass 41a und
der Auslass 41b der hinteren Kühlkammer 41 so angeordnet
sind, dass sie aneinander anliegen, und die Führungswand 44 im Wesentlichen
kreisförmig um
die zylindrische Wand 20d ausgebildet ist, so dass das
Kühlwasser
sich im Wesentlichen um den ganzen Weg um die Wand 20d herum
bewegt, ist der Flussweg des Kühlwassers
in der veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kürzer
und dementsprechend kann der Druckverlust verringert werden. Daher
kann der Flussweg des Kühlwassers in
der hinteren Kühlkammer 41 verengt
werden, während
ein Anstieg des Druckverlusts des Kühlwassers verhindert wird.
Zusätzlich
kann die Länge
der hinteren Kühlkammer 41 in
Richtung der Achse L verkürzt
werden, und daher kann eine Vergrößerung des mit dem Zwischenkühler 51 integrierten
Kompressors verhindert werden.
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Eine
zweite bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 5 beschrieben.
Die vorliegende bevorzugte Ausführungsform
wird auf einen Kompressor angewendet und insbesondere auf einen
elektrischen Scroll-Kompressor zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle
in dem elektrischen Fahrzeug. Die einzigen Unterschiede zwischen
der ersten bevorzugten Ausführungsform
und der zweiten bevorzugten Ausführungsform
werden im Folgenden beschrieben. Dieselben Bezugszeichen der ersten
bevorzugten Ausführungsform
werden im Wesentlichen auf dieselben Komponenten in der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
angewendet und eine überlappende
Beschreibung wird weggelassen. Unter Bezug auf 5 unterscheidet
sich die zweite Ausführungsform der
Zeichnung von der ersten Ausführungsform
darin, dass das Kühlwasser
so in die hintere Kühlkammer 41 und
die Kühlmittelleitung 54 strömt, dass
es in zwei Strömungen
aufgeteilt wird.
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Der
Einlass 54a der Kühlmittelleitung 54 wird durch
eine Leitung 62 mit dem Wassermantel 39 verbunden,
die von der Leitung 42 abgezweigt ist, welche den Wassermantel 39 mit
der hinteren Kühlkammer 41 verbindet.
Daher wird das Kühlwasser,
das durch den Wassermantel 39 geflossen ist, in zwei Strömungen aufgeteilt,
eine, die in die hintere Kühlkammer 41 fließt, und
die andere, die in den Zwischenkühler 51 fließt. In 5 ist
der Einlass 54b der Kühlmittelleitung 54 an
der Oberseite ausgebildet und der Auslass 54c an der Unterseite.
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Der
Auslass 41b der hinteren Kühlkammer 41 ist durch
die Leitung 63 mit dem Kühler 37 verbunden,
so dass das Kühlwasser,
das durch die hintere Kühlkammer 41 geflossen
ist, durch die Leitung 63 in den Kühler 37 strömt.
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In
der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden
im Wesentlichen die oben beschriebenen Wirkungen (2) bis (7) der
ersten Ausführungsform
erhalten. Zusätzlich
kann auch die folgende Wirkung (8) erhalten werden.
- (8) Das Kühlwasser
wird in zwei Strömungen
aufgeteilt, die in die hintere Kühlkammer 41 sowie
in die Kühlmittelleitung 54 fließen. Da
das Kühlwasser,
das in die Kühlmittelleitung 54 fließt, nicht
die Luft in den Kompressionskammern 26 kühlt, kann somit
die Abluft vom Kühlwasser
gekühlt
werden, dessen Temperatur niedriger ist als jene des Kühlwassers
der ersten bevorzugten Ausführungsform,
so dass die Kühleffizienz
weiter verbessert werden kann. Zusätzlich wird die auf die Wasserpumpe 38 aufgewandte
Last verringert, da die Länge
der Kühlwasserleitungen
zwischen dem Wassermantel 39 und dem Kühler 37 durch das Aufteilen
des Kühlwasserflusses
verkürzt
wird, im Vergleich mit einem Fall, in dem die Leitungslänge der
hinteren Kühlkammer 41 zu
jener der Kühlmittelleitung 54 in
der ersten bevorzugten Ausführungsform
hinzugerechnet wird.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden auch die folgenden alternativen Ausführungen durchgeführt.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
sind die Rohre 54a, die neben dem vorderen Gehäuseelement 21 liegen
separat angeordnet. Die Gasleitung 53 und die hintere Kühlkammer 41 sind
so angeordnet, dass sie teilweise nicht aneinander anliegen. In
zu diesen Ausführungen
alternativen Ausführungsformen
ist das Rohr 54a auf solche Weise angeordnet, dass die
Gasleitung 53 und die hintere Kühlkammer 41 nicht
aneinander anliegen. Wie in 6 gezeigt,
ist der Querschnitt des Rohrs 54a aufgeweitet und auf solche
Weise angeordnet, dass das Rohr 54a über den Bereich hinweg vorhanden
ist, wo die hintere Kühlkammer 41 und
die Gasleitung 53 einander zugewandt sind.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist mindestens ein Rohr 54a so angeordnet, dass es am vorderen
Gehäuseelement 21 anliegt. Jedoch
ist die Anordnung des Rohrs 54a nicht auf eine solche Anordnung
beschränkt,
sondern das Rohr 54a ist auf solche Weise angeordnet, dass
die Übertragung
von Wärme
der Abluft auf das Kühlwasser
in der hinteren Kühlkammer 41 mittels
des Kühlwassers
im Rohr 54 verringert wird. In zu diesen Ausführungen
alternativen Ausführungsformen
ist daher mindest ein Rohr 54a vom vorderen Gehäuseelement 21 um
einen vorbestimmten Abstand beabstandet, wie in 7 gezeigt.
Der Abstand, mit welchem die Rohre 54a vom vorderen Gehäuseelement 21 beabstandet
werden sollten, um die oben beschriebene Übertragung von Wärme zu verhindern,
wird aus der Kühlkapazität des Kühlmittels
bestimmt, die durch die Flussrate und die Temperatur des Kühlmittels
in den Rohren 54a bestimmt wird, und auch aus der Flussrate
und Temperatur des Abgases in der Gasleitung 53.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist jedes Rohr 54a im Querschnitt flach geformt. Die Form
des Rohrs 54a ist nicht auf eine flache Ausführung beschränkt. In
zu den Ausführungen
alternativen Ausführungsformen
ist jedes Rohr 54a im Querschnitt zylindrisch, wie in 7 gezeigt.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist der Zwischenkühler 51 auf
solche Weise aufgebaut, dass das Kühlwasser in den Rohren 54a fließt und dass
die Abluft außerhalb
der Rohre 54a strömt.
In zu diesen Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen
kann die Abluft innerhalb der Rohre strömen und das Kühlwasser
kann außerhalb der
Rohre fließen.
In diesem Fall, wenn die Rohre vom vorderen Gehäuseelement 21 um einen
vorbestimmten Abstand beabstandet sind, wie in 7 gezeigt,
fließt
das Kühlwasser
um die Gasleitung 53. Daher werden die Gasleitung 53 und
die hintere Kühlkammer 41 leicht
so gebildet, dass sie aneinander nicht anliegen.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
wird der elektrische Motor M durch Kühlwasser gekühlt, das
im Wassermantel 39 fließt. In zu diesen Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen kann
der elektrische Motor M ein luftgekühlter Motor sein, so dass der
Wassermantel 39 eliminiert wird. In der zur ersten bevorzugten
Ausführungsform
alternativen Ausführungsform
wird das Kühlwasser
von der Wasserpumpe 38 zur hinteren Kühlkammer 41 zugeführt. In
der zur zweiten bevorzugten Ausführungsform
alternativen Ausführungsform
wird das Kühlkammer
von der Wasserpumpe 38 der hinteren Kühlkammer 41 und dem
Zwischenkühler 51 zugeführt, indem
die Strömung
zweigeteilt wird.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist das vom Kompressor komprimierte Gas Luft. Es wird jedoch bemerkt,
dass das Gas nicht auf Luft beschränkt ist, sondern in zu den
Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen
das Gas Wasserstoff umfasst, der als Brennstoff zur Verwendung in
der Brennstoffzelle FC dient.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist das Kühlmittel
Wasser. Das Kühlmittel
ist jedoch nicht auf Wasser beschränkt, sondern umfasst in zu
den Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen
Luft.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
dient der Kompressor zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle in
einem elektrischen Fahrzeug. In zu den Ausführungsformen alternativen Ausführungsformen
wird der Kompressor mit anderen Brennstoffzellen verwendet als jenen
in elektrischen Fahrzeugen. In weiteren alternativen Ausführungsformen
zu diesen Ausführungsformen
ist der Kompressor nicht darauf beschränkt, mit einer Brennstoffzelle
verwendet zu werden, sondern der Kompressor ist ein Kühlmittelkompressor
zur Verwendung in einer Fahrzeugklimaanlage.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist das Gehäuse 52 des
Zwischenkühlers 51 auf solche
Weise aufgebaut, dass seine Öffnung
vom vorderen Gehäuseelement 21 abgedeckt
ist, um dadurch darin eine Abgaskühlkammer 52a zu definieren.
In zu diesen Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen
ist das Gehäuse 52 mit
einer Abdeckung versehen, die an dem vorderen Gehäuseelement 21 auf
solche Weise anliegt, dass das Gehäuse 52 selbst darin
die Abgaskühlkammer 52a definiert.
In diesem Fall liegen die Rohre 54a, die am vorderen Gehäuseelement 21 anliegen,
an der Abdeckung des Gehäuses 52 an.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist der Luftfilter 28 in der Auslassöffnung 20c angeordnet.
In zu diesen Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen
ist der Luftfilter 28 zwischen dem Zwischenkühler 51 und
der Brennstoffzelle FC angeordnet.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
wird die zum Antrieb des Kompressors nötige Leistung, um das Gas in
den Kompressionskammern 26 zu komprimieren, vom elektrischen
Motor M bereitgestellt, der im Kompressor vorgesehen ist. In zu diesen
Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen
wird über
einen Riemen die Leistung oder das Drehmoment auf die Drehwelle 13 übertragen,
die zum Antrieb der Fahrzeugräder
dient.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen werden
auf einen Scroll-Kompressor angewendet. In zu diesen Ausführungsformen
alternativen Ausführungsformen
wird jedoch der Scroll-Kompressor durch
einen Kompressor anderer Art, wie zum Beispiel einen Taumelscheiben-Kolbenkompressor
oder einen Schaufelkompressor ersetzt.
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Daher
sind die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen als Veranschaulichung
und nicht als Einschränkung
anzusehen, und die Erfindung ist nicht auf die hier gegebenen Details
beschränkt,
sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche abgeändert werden.