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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Spiralfluidmaschine mit Kompressions-
und Expansionsbereichen und insbesondere eine Spiralfluidmaschine, die
verwendet wird, um Luft in eine Brennstoffzelle einzuspeisen und
aus dieser auszustoßen.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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In
einer Brennstoffzelle befindet sich ein Elektrolyt zwischen einer
Anode und einer Kathode und Wasserstoff wird als kathodenaktives
Material zur Kathode eingespeist. Wasserstoff, von welchem Elektronen
an der Kathode entzogen werden, werden zu Wasserstoffionen, die
sich zur Anode durch den Elektrolyt bewegen. Sauerstoff wird als
anodenaktives Material zur Anode eingespeist und nimmt Elektronen
von der Kathode durch einen äußeren Kreislauf
auf, um es zu ermöglichen,
dass die Wasserstoffionen mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser
reagieren. Folglich fließen
Elektronen von der Kathode zu Anode bzw. ein elektrischer Strom
fließt
von der Anode zur Kathode. Allgemein wird zur Anode sauerstoffhaltige
Luft eingespeist, so dass unreaktiver Sauerstoff und Stickstoff
als Hauptkomponenten der Luft zusätzlich zu Wasser an der Anode
austreten. Die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff ist eine
exotherme Reaktion, deren Temperatur gegenüber der zugeführten Luft
ansteigt. Das Gas, welches Stickstoff als Hauptkomponente enthält, sollte von
der Anode ausgestoßen
werden.
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Durch
einen Kompressor unter Druck versetzte Luft wird zur Anode eingespeist
und das Gas an der Anode weist einen höheren als den atmosphären Druck
auf. Falls das Gas zur Luft ausgelassen wird, wird es ohne Arbeitsleistung
zum Verlust. Die Energie des Gases wird durch eine Entspannungsmaschine wiedergewonnen.
Somit kann vorzugsweise die Brennstoffzelle einen Kompressor und
eine Entspannungsmaschine enthalten.
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Die
US 6,506,512 B1 von
Mori et al. beschreibt eine Kompressionswiedergewinnungsmaschine
für eine
Brennstoffzelle als Fluidmaschine, welche Kompressions- und Regenerationsmechanismen
aufweist. Die Spiralfluidmaschine weist eine umlaufende Spirale
auf, auf deren beiden Seiten eine Spiralwicklung vorgesehen ist,
von denen eine Spiralwicklung das angesaugte Medium komprimiert, während die
andere, das angesaugte Medium zur Arbeitsleistung expandiert.
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In
der Kompressionsregenerationsmaschine kühlt das expandierte und in
der Temperatur gesunkene Fluid in einer Regenerationskammer die
umlaufende Spirale von der Regenerationskammer und Fluid wird von
der Mitte zum Umfang expandiert. Es werden jedoch keinerlei Überlegungen
hinsichtlich der Kühlung
eines Elektromotors zum Antreiben der umlaufenden Spirale angestellt.
Folglich steigt in einem kleinen Raum, beispielsweise dem Motorraum eines
Automobils, der gegenüber
der Außenseite
isoliert ist, die Umgebungstemperatur an und führt zu einer schlechten Wärmestrahlung über eine
lange Betriebszeit und erhöht
die Temperatur des Elektromotors, wodurch dessen Lebensdauer verringert
wird. Zusätzlich
ist der Elektromotor laut und erzeugt nachteilige Wirkungen auf
seine Umgebung.
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Die
JP 2003 343 203 (des
vorliegenden Anmelders) beschreibt eine Spiralfluidmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und verwendet schwenkbare Spiralwicklungen auf beiden
Oberflächen
einer Schwenkspiralendplatte, die einen eine Kompression aktivierenden
Teil durch eine der schwenkbaren Spiralwicklungen und die ortsfeste, mit
dieser in Eingriff stehenden Spiralwicklung darstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Anbetracht
der oben stehenden Nachteile ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Spiralfluidmaschine zu schaffen, die einen Kompressionsbereich
und einen Expansionsbereich auf beiden Seiten einer umlaufenden
Spiralendplatte aufweist, wobei Medium, dessen Temperatur bei der
Expansion im Expansionsabschnitt gefallen ist, verwendet wird, um
einen Elektromotor effektiv zu kühlen
und Lärm
von dem Elektromotor zu verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Spiralfluidmaschine gemäß Anspruch
1.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine senkrechte Schnittansicht der ersten Ausführungsform einer Spiralfluidmaschine nach
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine senkrechte Schnittansicht längs
der Linie II-II in 1, wobei eine Hilfskurbelwelle
und ein Lager für
diese entfernt wurde;
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3 ist
eine senkrechte Schnittansicht längs
der Linie III-III in 1;
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4 ist
eine senkrechte Schnittansicht der zweiten Ausführungsform einer Spiralfluidmaschine nach
der vorliegenden Erfindung, und
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5 ist
eine senkrechte Schnittansicht der dritten Ausführungsform einer Spiralfluidmaschine nach
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer Spiralfluidmaschine nach der vorliegenden Erfindung mit einem
Spiralabschnitt 10 und einem Elektromotor 20.
Eine vordere umlaufende Spiralwicklung 1a und eine hintere
umlaufende Spiralwicklung 1c sind auf beiden Seiten einer
umlaufenden Endplatte 1b, einer umlaufenden Spirale 1 angeordnet.
Auf einer ortsfesten Endplatte 2b einer vorderen stationären Spirale 2 sind
eine vordere stationäre
Spiralwicklung 2a in Eingriff mit der vorderen umlaufenden
Spiralwicklung und eine ringförmige
Trennwand 2c angeordnet. Die hintere ortsfeste Spirale
weist eine äußere Umfangswandung 3d und
eine stationäre
Endplatte 3b auf, auf welcher eine hintere stationäre Spiralwicklung 3a in
Eingriff mit der hinteren umlaufenden Spiralwicklung 1c vorgesehen
ist. Die äußere Umfangswandung 3b ist
an der ortsfesten Endplatte 2b der vorderen ortsfesten
Spirale 2 befestigt. Die vorderen stationären und
umlaufenden Spiralwicklungen 2a, 1a bilden einen
Kompressionsbereich und die hinteren stationären und umlaufenden Spiralwicklungen 3a, 1c bilden
einen Expansionsbereich. Der Kompressionsbereich und der Expansionsbereich sind
durch die ringförmige
Trennwandung 2c der vorderen Endplatte 2b der
ortsfesten Spirale voneinander getrennt.
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Ein
Elektromotor 20 ist an der Endplatte 3b der hinteren
stationären
Spirale mittels eines Bolzens 26 befestigt. Eine Antriebswelle 21 des
Elektromotors 20 ist an Lagerzapfen 21a, 21b mittels
Lagern 22, 23 in der Endplatte 3b der
hinteren stationären Spirale
und einem hinteren Deckel 25 gelagert. Eine Dichtung 12 dichtet
den Elektromotor in der Mitte des Kompressionsbereichs des Spiralenabschnitts
ab.
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Ein
exzentrischer Abschnitt 21c am Vorderende der Antriebswelle 21 ist
durch ein Lager 4 in einer Fassung 1d in der Mitte
der Hinterfläche
der umlaufenden Spirale gelagert.
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Am
Außenumfang
der umlaufenden Spirale 1 sind drei Fassungen 1e vorspringend
an den drei Scheitelpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet.
Ein exzentrischer Stift 5b einer Hilfskurbelwelle 5 ist
in der Fassung 1e mittels eines Lagers 6b gelagert.
Ein Lagerzapfen 5a der Hilfskurbelwelle 5 ist
mittels eines Lagers 6a durch eine Fassung 2e am Außenumfang
der vorderen Endplatte der ortsfesten Spirale gehalten. Dies verhindert,
dass die umlaufende Spirale um ihre eigene Achse dreht.
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Die
Exzentrizität
der Antriebswelle 21 bezüglich einer Achse des exzentrischen
Abschnitt 21c ist gleich der des exzentrischen Stiftes 5b der
Hilfskurbelwelle bezüglich
einer Achse des Lagerzapfens 5a. Folglich, wenn sich die
Antriebswelle 21 dreht, dreht sich die umlaufende Spirale 1 um
die Achse der Antriebswelle 21. Der Drehmechanismus kann
eine bekannte Oldham-Kupplung sein.
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Die
Bezugszeichen 21d, 5c bezeichnen elastische Ringe.
Wenn eine innere Kugel des Lagers von dem exzentrischen Stift gelöst wird,
so dass das Lager 4 der umlaufenden Spirale in den exzentrischen
Stift 21 eingeführt
wird, verhindert der elastische Ring 21 eine Korrosion
aufgrund der Drehung der inneren Kugel bezüglich des Stiftes. Beispielsweise
wenn ein elastischer Ring, wie ein starrer Gummiring, in eine Nut
des exzentrischen Stiftes eingepasst wird, verringert das elastische
Material den Widerstand während
des Einpassens der inneren Kugel, wobei jedoch dessen Reibung verhindert, dass
sich die innere Kugel auf dem exzentrischen Stift dreht.
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Der
elastische Ring 28 ermöglicht
es, dass der exzentrische Stift 5b der Hilfskurbelwelle 5 in
das Lager 6b der umlaufenden Spirale 1 eingesetzt
wird und hindert die innere Kugel des Lagers 6a am Gleiten.
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In 2 ist
ein Einlass des Kompressionsbereichs an der ortsfesten Endplatte 2b der
vorderen ortsfesten Spirale 2 zwischen der ringförmigen Trennwand 2c und
dem Außenumfang
der Spiralwicklung ausgebildet und ein Auslass 8 ist in
der Mitte vorgesehen und Leitungen 7a und 8a sind
daran angeschlossen. In den Einlass 7 eingesaugtes Medium
wird in Richtung der Mitte durch Drehung der umlaufenden Spirale
verdichtet und aus dem Auslass 8 ausgestoßen.
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In 3 ist
ein Einlass 9 des Kompressionsbereichs in dem äußersten
Teil der hinteren ortsfesten Spirale 3 vorgesehen und steht
in Verbindung mit einer Öffnung 9b über einen
radialen Weg 9a der hinteren Endplatte 3b der
ortsfesten Spirale. Eine Leitung 9a ist an die Öffnung 9b angeschlossen.
Medium, welches in Richtung der Mitte des Kompressionsbereiches
von der Öffnung 9b gelangt,
wird unter Drehung der umlaufenden Spirale nach außen expandiert,
in den Elektromotor durch einen inneren Auslass 11 der
Endplatte der hinteren ortsfesten Spirale eingeleitet und zur Außenseite
nach Kühlung
des Läufers
usw. durch einen Auslass 27 ausgestoßen.
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In 1 steht
der Expansionsbereich über einen äußeren Auslass 30 mit
einem umlaufenden Kanal 31 in Verbindung, welcher zwischen
einer inneren Umfangswandung 32 und einer äußeren Umfangswandung 33 ausgebildet
ist. Der Elektromotor 20 wird durch Medium gekühlt, welches
durch den umlaufenden Kanal 31 strömt. Geräusche von dem Elektromotor 20 während des
Betriebs dringt durch eine Bohrung 27 nach außen, wird
jedoch wegen der äußeren Umfangswandung 33 verhindert.
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4 zeigt
die zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen entsprechen
denjenigen in der ersten Ausführungsform
gemäß 1 und
eine Beschreibung derselben wird weggelassen. Lediglich die Unterschiede
werden beschrieben.
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Ein
Außendurchmesser
der äußeren Umfangswandung 33' nimmt nach
hinten nach und nach zu und eine Querschnittsfläche eines umlaufenden Kanals 31' nimmt ebenfalls
nach und nach zu. Folglich wird Medium in dem umlaufenden Kanal 31' nach und nach
entspannt und nach hinten abgekühlt.
Ein Elektromotor 20 und dessen Teile werden durch das Medium
wirksam gekühlt.
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5 zeigt
die dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen entsprechen
denen der ersten Ausführungsform
gemäß 1 und
eine Beschreibung derselben ist weggelassen. Lediglich Unterschiede
werden beschrieben.
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Eine
Spiralwandung 35 ist um einen Elektromotor 20 zwischen
einer inneren Umfangswandung 32 und einer äußeren Umfangswandung 33 vorgesehen
und ein Spiralkanal 34 wird durch die Spiralwandung 35 definiert.
Die Steigung der Spiralwandung 35 nimmt nach hinten zu,
so dass Medium von einem Expansionsbereich durch einen äußeren Auslass 30 nach
und nach entspannt und nach hinten abgekühlt wird.
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Das
Medium kühlt
wirksam einen Elektromotor 20 und dessen Teile und Geräusche werden
durch die äußere Umfangswandung 33 verhindert.
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Bei
der dritten Ausführungsform
kann ein Außendurchmesser
der äußeren Umfangswandung 33 nach
hinten zunehmen, ähnlich
wie die Umfangswandung 33' bei
der zweiten Ausführungsform.