JP7108029B2 - 気体状の媒体を圧送および／または圧縮するための燃料電池システムのためのサイドチャネル圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、特に燃料電池駆動装置を有する車両で適用するために設けられる気体状の媒体を、特に水素を圧送および／または圧縮するための燃料電池システムのためのサイドチャネル圧縮機に関する。

車両分野では、液体燃料のほかに気体状の燃料も将来的にますます大きな役割を担う。特に燃料電池駆動装置を有する車両では、水素ガス流が制御されなければならない。このときガス流は、液体燃料の噴射の場合のように不連続的に制御されるのではなく、少なくとも１つの高圧タンクからガスが取り出され、中圧配管システムの流入配管を介してエジェクタユニットへと案内される。このエジェクタユニットが、低圧配管システムの接続配管を介して燃料電池へとガスを案内する。ガスは燃料電池を通って流れた後、帰還配管を介してエジェクタユニットへ戻るように案内される。このときに、ガス帰還を流動技術と効率化技術の面からサポートするサイドチャネル圧縮機を間に介在させることができる。さらにサイドチャネル圧縮機は、特にある程度の停止時間後に車両を（コールド）スタートさせる際に、燃料電池駆動装置での流動生成をサポートするために利用される。このようなサイドチャネル圧縮機の駆動は、通常、作動時に車両で車両バッテリを通じて電圧の供給を受ける電気モータを通じて行われる。

特許文献１より、気体状の媒体が、特に水素が圧送および／または圧縮される、燃料電池システムのためのサイドチャネル圧縮機が公知である。このサイドチャネル圧縮機は、駆動シャフトに取り付けられて駆動装置により回転し、そのようにして回転軸を中心として回転可能に配置された、ハウジングの中で周回する圧縮機ホイールを有している。さらにこのサイドチャネル圧縮機は、少なくとも１つの周回するサイドチャネルを有する、ハウジングの中にある圧縮室を有している。このとき圧縮機ホイールはその円周に、圧縮室の領域に配置された圧送セルを有している。さらにハウジングの中に、少なくとも１つのサイドチャネルを介して互いに流体接続されたガス取込口とガス吐出口がそれぞれ配置されている。このとき圧縮室の領域では、圧縮機ホイールとハウジングの対合面による少なくとも１つの分離領域によって、少なくとも１つのサイドチャネルのカプセル封じがもたらされる。

特許文献１から公知のサイドチャネル圧縮機は、一定の欠点を有し得る。サイドチャネル圧縮機が燃料電池システムで特に再循環ファンとして利用されるとき、サイドチャネル圧縮機の内部空間で気体状の媒体から特に凝縮によって液体の水の形成が起こることがある。車両の燃料電池システムがスイッチオフされた状態にあるとき、この水が周囲温度が低いときにシステムの配管に沈降し、あるいはに軸受、シャフト、圧縮機ホイールなどのサイドチャネル圧縮機の回転部品にも沈降する。このことは、車両およびそれに伴って燃料電池構造が始動するときに、大きすぎるアイスブリッジ形成がなされると駆動装置のブロックをもたらすことがあり、それにより回転部品が、特に圧縮機ホイールが損傷することがあり、および／またはシステムの始動が困難になり、ないしは遅延し、もしくは全面的に妨げられることになる。

特許文献２には、重力の作用方向で羽根車の下方への流動ハウジングカバーの成形と配置によって、液体の水の接触および／または可動のコンポーネントでのアイスブリッジの形成を防止するサイドチャネル圧縮機が記載されている。しかし特許文献２に記載されているサイドチャネル圧縮機は、一定の欠点を有し得る。たとえば燃料電池システムおよび／または車両におけるサイドチャネル圧縮機の組付位置が、サイドチャネル圧縮機の設計的な構成に基づいて、特に測地学的に羽根車の下方に配置される流動ハウジングカバーによって、可変的ではなくなる。たとえば車両メーカーの設計スペース制限に基づき、および／または急斜面の道路で駐車している車両に基づき、車両におけるサイドチャネル圧縮機の非常に特別な組付姿勢、および／または車両の傾斜角が守られていないと、それぞれのコンポーネントの間でのアイスブリッジ形成の確実な回避を具体化することができない。なぜならば、傾斜に基づいて、液体の水が圧縮機ホイールとハウジングの間に集まるからである。このことは、特許文献２に記載されているサイドチャネル圧縮機が、液体の水を排出するために重力の効果を利用することによって引き起こされる。さらに、中間スペースの領域への液体の水の排出が不完全になると、羽根車とハウジングの間でアイスブリッジ形成が生じることがあり得る。

独国特許出願公開第１０２００７０５３０１６号明細書 独国特許出願公開第１０２０１５００２６４号明細書

請求項１に関してサイドチャネル圧縮機は、少なくとも１つの分離領域が圧縮機ホイールとハウジングの対合面によって、それぞれ一方のコンポーネントが特に周回する先端部を有する周回するエッジを有し、それぞれ他方のコンポーネントが少なくとも近似的に平坦な周回する対応面を有するように構成されるように構成される。このようにして対合面の幾何学的な成形に基づき、圧縮機ホイールとハウジングの間で、特に分離領域に液体の水が溜まり得ることが防止され、それにより、温度が低いときにアイスブリッジが分離領域に形成され得ないことが保証される。このとき分離領域での液体の水の蓄積が周回する先端部によって、液体の水の表面張力の効果が利用されるようにして防止される。それによりサイドチャネル圧縮機を低い温度のときでも、特に０℃を下回る外気温のときでも、かつ停止時間が長いときでも問題なく始動させることができる。このとき燃料電池システムおよび／または車両におけるサイドチャネル圧縮機の取付姿勢および／または位置は、広い範囲内で柔軟性がある。なぜならば、水を排出するための重力による効果は広い角度範囲で生じ得るが、水を排出するための主要な効果が幾何学的な特徴および／または遠心力から得られるからである。さらに、アイスブリッジ形成および／または液体の水の侵入に基づくサイドチャネル圧縮機および／または駆動装置の、特に電気駆動装置の回転部品の損傷を防止することができる。さらに、アイスブリッジに基づくコールドスタートのときの圧縮機ホイールのブロックを防止することができ、それにより、本発明の構成によって圧縮機ホイールの凍結防止という好ましい機能がもたらされる。このことは、燃料電池システムおよび／または車両におけるサイドチャネル圧縮機の改善されたコールドスタート能力と、いっそう高い信頼性につながる。

従属請求項に記載されている方策により、請求項１に記載されているサイドチャネル圧縮機の好ましい発展例が可能である。従属請求項は、本発明の好ましい発展例に関する。

特別に好ましい実施形態では、少なくとも１つの分離領域はサイドチャネルを相互にカプセル封じし、および／またはそれぞれのサイドチャネルを回転軸に関して径方向で内側に位置しているハウジングの領域からカプセル封じし、および／または回転軸に関して径方向で外側に位置しているハウジングの領域からカプセル封じする。このようにして、一方では、サイドチャネル相互のカプセル封じによって、両方のサイドチャネルの間での気体状の媒体の交換が圧縮機ホイールの圧送セルによってのみ行われ得るという利点を得ることができ、このことは、圧送ホイールが回転しているときに流動状況に基づいて限定的にのみ可能である。それにより、両方のサイドチャネルで互いに独立した圧力生成と独立した循環流がハウジングとの間で形成されることを保証することができ、チャネル流と羽根車流の間での運動量交換が両方のサイドチャネルで利用される。このことは、特にただ１つのサイドチャネルを有するサイドチャネル圧縮機と比較して、サイドチャネル圧縮機の効率および／または圧送容積を高めることができるという利点を提供する。

さらに、このようにして少なくとも１つのサイドチャネルおよび／または圧送セルのカプセル封じが、ハウジングの外側に位置する領域および／または内側に位置する領域に対して行われるという利点が得られる。このようにして、水素および／または重い成分が圧縮室の領域から、水素および／または重い成分により損傷する可能性があるコンポーネントがあるサイドチャネル圧縮機の領域へと侵入することが防止される。このように、たとえば駆動シャフトの軸受の耐用寿命を伸ばすことができる。なぜならば、特に水との接触による腐食による損傷が、内側に位置する領域のカプセル封じによって防止されるからである。さらに、電気コンポーネントへの液体侵入による電気的な短絡も防止される。なぜならば、たとえば駆動装置などのすべての電気コンポーネントが、サイドチャネル圧縮機の内側に位置するカプセル封じされた領域にあり、したがって液体に対して防護されるからである。それにより、サイドチャネル圧縮機の故障発生確率が低下し、燃料電池システムの耐用寿命を伸ばすことができる。

好ましい発展例では、エッジと対応面とはそれぞれの分離領域で回転軸を中心として周回するように延びる。このようにして、圧縮機ホイールの低摩擦で低衝撃の回転を保証することができる。なぜならば、周回するエッジによって、回転時に圧縮機ホイールの可能な案内効果が得られるからである。さらに、圧縮機ホイールの傾斜および／または傾動のリスクが低減されるという利点を実現することができる。回転軸を中心として周回するエッジと対応面のさらに別の利点は、サイドチャネルの領域および／または内側に位置する領域および／または外側に位置する領域の相互の良好なカプセル封じを実現できることにある。それによってサイドチャネル圧縮機の耐用寿命を伸ばすことができ、それに対して燃料電池システム全体の故障発生確率が低減される。

好ましい実施形態では、エッジは分離領域で回転軸を中心として周回するように第１の直径領域および／または第２の直径領域でハウジングに構成される。このときエッジの先端部は回転軸に対して軸方向に圧縮機ホイールの対応面に向かってアライメントされ、第１の直径領域はサイドチャネルをその内径部で回転軸に対して径方向に区切り、第２の直径領域はサイドチャネルをその外径部で回転軸に対して径方向に区切る。このようにして、本発明による対合面を低コストに具体化することができ、これによって、圧縮機ホイールとハウジングの間に、特に分離領域に、液体の水が溜まり得るのを防止することができ、それにより、温度が低いときに分離領域でのアイスブリッジが形成されないことを保証することができる。この具体化は低コストである。なぜならば、周回するエッジおよび／または周回する先端部を、その輪郭を加工によって、特にすでに存在している平坦に延びるハウジングの表面の削り取りによって形成できるように、直接的にハウジングに刻設することができるからである。このとき表面は回転軸に対して径方向に延び、加工は分離領域でしか必要ない。さらには既存のハウジングを利用することができ、削り取りの加工ステップしか必要ない。このように、サイドチャネル圧縮機のコールドスタート能力を改善することができ、それに対してわずかな製造付加コストしか発生しないという利点がもたらされる。

特別に好ましい発展例では、エッジは分離領域で回転軸を中心として周回するように第３の直径領域および／または第４の直径領域で圧縮機ホイールに構成される。このときエッジの先端部は回転軸に対して軸方向でハウジングの対応面に向かってアライメントされ、第３の直径領域は圧送セルをその内径部で回転軸に対して径方向に区切る。さらに、第４の直径領域は圧送セルをその外径部で回転軸に対して径方向に区切る。このようにして、本発明による対合面を低コストに具体化することができ、これによって、圧縮機ホイールとハウジングの間に、特に分離領域に、液体の水が溜るのを防止し、それにより、温度が低いときに分離領域でアイスブリッジが形成されないことを保証する。この具体化は低コストである。なぜならば、周回するエッジおよび／または周回する先端部を圧縮機ホイールに分離領域で、およびそれに伴って第３および第４の直径領域の領域で、圧縮機ホイールの上および／または中に装着および／または刻設するだけでよいからである。ハウジングは対応面の領域で未加工のまま保つことができ、または別案として、表面粗さを改善するための低コストな方法を適用することができる。圧縮機ホイールでのエッジおよび／または先端部の装着および／または刻設のために、たとえば１つの作業ステップで押除け式の圧延方法により相応の輪郭を圧縮機ホイールで製作することができ、材料の削り取りや材料装着が必要になることがない。これは、圧縮機ホイールの既存の設計上の特徴に何ら変更が必要でないという利点を提供する。さらには１つの加工ステップしか必要なく、したがって、凍結防止の特別に好ましい発展例の低コストな具体化を行うことができる。このようにして、サイドチャネル圧縮機のコールドスタート能力を改善することができ、それに対してわずかな製造付加コストしか発生しないという利点がもたらされる。

好ましい実施形態では、エッジは分離領域で回転軸を中心として周回するように第１の直径領域および／または第２の直径領域でハウジングに構成される。このときエッジの先端部は回転軸に対して径方向で圧縮機ホイールの対応面に向かってアライメントされ、このとき第１の直径領域は回転軸に対して径方向で圧送セルの内径部から圧縮機ホイールのハブディスクまで延びる。さらに、第２の直径領域は回転軸に対して径方向で圧送セルの外径部から、ハウジングの外側に位置するカプセル封じされた領域の外径部まで延びる。このようにして、先端部を有するエッジがハウジングと分離領域で刻設されるにもかかわらずコンパクトな設計形態を実現でき、それに対して、特に回転軸に対して径方向での液体の水の確実な流出がアイスブリッジ形成を防止するという利点を得ることができる。このとき、燃料電池システムおよび／または車両におけるサイドチャネル圧縮機の改善されたコールドスタート能力といっそう高い信頼性を確保することができ、それに対して、圧縮機ホイールの好ましい凍結防止の機能にもかかわらず、追加の設計スペースがハウジングで必要にならないという利点がある。

好ましい発展例では、エッジは分離領域で回転軸を中心として周回するように第３の直径領域および／または第４の直径領域で圧縮機ホイールに構成され、エッジの先端部は回転軸に対して径方向でハウジングの対応面に向かってアライメントされる。このとき第３の直径領域は圧送セルをその内径部で回転軸に対して径方向に区切り、第４の直径領域は圧送セルをその外径部で回転軸に対して径方向に区切る。このようにして、先端部を有するエッジが分離領域で圧縮機ホイールに刻設されるにもかかわらずコンパクトな設計形態を実現でき、それに対して、特に回転軸に対して径方向での液体の水の確実な流出がアイスブリッジ形成を防止するという利点を得ることができる。さらに、圧縮機ホイールでのエッジおよび／または先端部の装着および／または刻設をただ１つの作業ステップで行うことができる。このとき低コストで迅速な圧延の方法、特にリング圧延および／またはクロス圧延を、先端部を有するエッジの相応の輪郭を生成するために適用することができる。このように、サイドチャネル圧縮機の製造コストを低く抑えることができ、それに対してコールドスタート能力は改善され、このことは、低い周囲温度や燃料電池システムの長い停止時間の後でも、サイドチャネル圧縮機と燃料電池システムのいっそう長い耐用寿命につながる。

特別に好ましい実施形態では、圧縮機ホイールは第１の直径領域および／または第２の直径領域に周回する対応面を有し、対応面は回転軸の方向で直線状の推移を有するとともに、回転軸に対して折曲した、特に周回する円錐状の推移を有する。このとき対応面の推移は、特に、対称軸から回転軸の２つの方向へ対称に離れていくように向き、その際に、エッジの先端部はハウジングで対応面に対して直交して圧縮機ホイールに向かうようにアライメントされる。さらに、このとき第３の直径領域は圧送セルをその内径部で回転軸に対して径方向に区切り、第４の直径領域は圧送セルをその外径部で回転軸に対して径方向に区切る。別の一例としての実施形態では、ハウジングは第１の直径領域および／または第２の直径領域に周回する対応面を有し、対応面は回転軸の方向で少なくとも１つの直線状の、かつ回転軸に対して折曲した、特に周回する円錐状の推移を有し、対応面の推移は特に対称軸から回転軸の２つの方向で対称に離れていくように延びる。このときエッジの先端部は圧縮機ホイールで対応面に対して直交してハウジングに向かうようにアライメントされ、第１の直径領域はサイドチャネルをその内径部で回転軸に対して径方向に区切る。さらに第２の直径領域は、サイドチャネルをその外径部で回転軸に対して径方向に区切る。このようにして、周回する折曲した推移に基づき、分離領域からの液体の水の改善された排出を行えるという利点を得ることができる。このとき、サイドチャネル圧縮機の多数の異なる組付姿勢があるときでも、分離領域での両方の折曲した推移のうちの少なくとも１つが、液体の水の最善の排出を可能にすることが保証される。なぜならば、少なくとも１つの分離領域は重力の作用方向に対して良好にアライメントされ、それによって分離領域からの液体の水の排出がいっそう改善されるからである。対応面の、およびエッジおよび先端部を有する面の、回転軸に対して折曲した推移のさらに別の利点は、圧縮機ホイールの回転時に媒体の、特に液体の水の遠心力に基づき、分離領域からの改善された排出を実現できることにある。このように、サイドチャネル圧縮機がスイッチオフされているときに液体の水が分離領域に存在せず、もしくはわずかな割合しか存在しない。このようにして、サイドチャネル圧縮機のコールドスタート能力を改善することができ、サイドチャネル圧縮機の耐用寿命を改善することができるという利点がもたらされる。

好ましい実施形態では、ハウジングはガス取込口とガス吐出口の間に中断領域を有し、中断領域は相前後して配置された複数の円弧状の突起を有する。このとき円弧状の突起は階段状に流動方向に延び、または階段状に流動方向と反対に延び、突起の端部は対称軸の方向でサイドチャネルの中心からそれぞれの第１または第２の直径領域に向かって流動方向で前方または後方を向くように延びる。このようにして効果的な分離が、特にガス吐出口の領域における圧力側と、特にガス取込口の領域における吸込側との分離をもたらすという利点を実現することができる。このような分離が必要なのは、燃料電池システムにおける気体状の媒体の効果的な圧送を保証できるようにして、分離領域を介して圧力側から吸込側への気体状の媒体の逆流および／または圧力低下が起こるのを防止するためである。中断領域で相前後して配置された複数の円弧状の突起により、圧力側と取込側の間の圧力差が次第に低減されていくことを保証することができる。このとき突起が階段状に延びるのがさらに好ましく、それぞれの端部が前方または後方を向くように延び、それによって圧力差のより均等な低減が生じ、流動剥離に基づくマイナスの効果が生じることがあり得ない。それにより、中断領域での圧力損失を低減することができ、サイドチャネル圧縮機の効率を向上させることができる。

好ましい発展例では、ハウジングは第２の直径領域に回転軸を中心として周回する溝を有する。このようにして、特に液体の水および／または水蒸気および／または窒素である重い成分を、圧送セルの領域および／またはサイドチャネルから周回する溝の中へ排出できるという利点を実現することができる。このとき１つの重い成分または複数の重い成分の排出は、圧縮機ホイールの回転によって気体状の媒体に及ぼされる遠心力を通じて行われる。このとき重い成分がサイドチャネルの領域から、および／または圧送セルの領域から、排出方向で回転軸から離れていくように、または回転軸の方向に、分離領域を通過して、特にハウジングと圧縮機ホイールの間を通過して、溝に向かって移動する。本発明の別の一例としての発展例では、溝は排出穴を有し、これを通して重い成分をハウジングから外に出るように導出することができる。それにより、重い成分が少なくとも１つのサイドチャネルおよび／または圧送セルの領域から運び出される。

次に、図面を参照しながら本発明についてさらに詳しく説明する。

本発明によるサイドチャネル圧縮機を示す模式的な断面図である。 図１にＡ－Ａで表しているサイドチャネル圧縮機の断面を示す拡大図である。 図１にＩＩで表しているサイドチャネル圧縮機の断面を示す拡大図である。 本発明の第２の実施例に基づく分離領域を有するサイドチャネル圧縮機を示す模式的な断面図である。 本発明の第３の実施例に基づく分離領域を有するサイドチャネル圧縮機を示す模式的な断面図である。 本発明の第４の実施例に基づく分離領域を有するサイドチャネル圧縮機を示す模式的な断面図である。 本発明の第５の実施例に基づく分離領域を有するサイドチャネル圧縮機を示す模式的な断面図である。

図１の図面は、本発明によるサイドチャネル圧縮機１の模式的な断面図である。

ここではサイドチャネル圧縮機１は、水平方向に延びる回転軸４を中心として回転可能なようにハウジング３の中で支承された圧縮機ホイール２を有している。このとき駆動装置６が、特に電気式の駆動装置６が、圧縮機ホイール２の回転駆動装置６としての役目を果たす。圧縮機ホイール２は駆動シャフト９に相対回転不能に配置されるとともに、特にプレス嵌めによって駆動シャフト９と結合される。圧縮機ホイール２は内側の圧縮機ホイールハブ１０を有しており、圧縮機ホイールハブ１０は、駆動シャフト９が差し込まれた切欠きを有している。さらに圧縮機ホイールハブ１０は、回転軸４と反対を向くほうの側で周回するようにハブ脚部１２によって区切られる。ハブ脚部１２から外方に向かって回転軸４から離れるように、圧縮機ホイール２は周回する円形のハブディスク１３を構成し、さらに圧縮機ホイール２は外側でハブディスク１３に持続する圧送セル２８を構成する。このとき多数の圧送セル２８が回転軸４を中心として周回するように、ハウジング３の周回する圧縮室３０の中で圧縮機ホイール２に延びている。

さらにハウジング３は圧縮室３０の領域に、第１の周回するサイドチャネル１９および／または第２の周回するサイドチャネル２１を有している。このときサイドチャネル１９，２１は、これらが圧送セル２８に対して軸方向で両側に延びるように、ハウジング３の中で回転軸４の方向に延びている。このときサイドチャネル１９，２１は少なくともハウジング３の部分領域で、回転軸４を中心として周回するように延びることができ、サイドチャネル１９，２１がハウジング３に構成されていない部分領域では中断領域１５がハウジング３に構成され、中断領域１５は円弧状の突起１７を有している。

駆動シャフト９は一方の端部をもって、回転軸４に対して軸方向で少なくともカルダン式に駆動装置６と結合されている。このとき駆動シャフト９の外径部にある軸受２７は、軸方向で駆動装置６と圧縮機ホイール２の間の領域にあり、特に、駆動装置６と圧縮機ホイール２のハブ脚部１２の間の領域にある。駆動シャフト９は回転軸４に対して軸方向に、駆動装置６と反対を向いている側で軸受ピン３６を構成し、軸受ピン３６の領域には別の軸受２７がある。これらの軸受２７は転がり軸受２７であってよく、特にボールベアリング２７であってよい。

さらにハウジング３は、ガス取込口１４とガス吐出口１６を構成している。ここではガス取込口１４とガス吐出口１６は、特に少なくとも１つのサイドチャネル１９，２１を介して、互いに流体接続されている。

駆動装置６により、トルクが圧縮機ホイールハブ１０を介して圧縮機ホイール２に伝達される。このとき圧縮機ホイール２が回転運動し、圧送セル２８がハウジング３の中で圧縮室３０を通って回転軸４を中心として周回するように流動方向４７（図２参照）の方向へ回転運動で運動する。このときすでに圧縮室３０内にある気体状の媒体が圧送セル２８によって一緒に動かされ、その際に圧送および／または圧縮される。さらに、圧送セル２８と少なくとも１つのサイドチャネル１９，２１との間で気体状の媒体の運動が行われ、特に流動交換が行われる。このとき圧送作用にとって決定的なのは、作動時に循環流２６がそれぞれのサイドチャネル１９，２１の内部に形成され得ることである。このことは、サイドチャネル１９，２１が対合面によって分離領域３５で空気圧式に互いに分離されることによって達成される。このことは通常、前述した対合面の間の可能な限り小さい間隙によって達成される。さらに、特に燃料電池３９に由来する未使用の再循環媒体である気体状の媒体は、ガス取込口１４を介してサイドチャネル圧縮機１の圧縮室３０に入り、および／またはサイドチャネル圧縮機１に供給され、および／またはガス取込口１４に前置されている領域から吸い込まれる。このとき気体状の媒体は、サイドチャネル圧縮機１のガス吐出口１６の通過が完了してから導出されて、燃料電池システム３７に向かって流れる。さらに、回転軸４に対して直交するとともに圧縮機ホイール２の断面ジオメトリーを通って対称に中央に延びる対称軸４８が示されている。

さらに図１に示すように、ハウジング３の圧縮室３０には回転軸４を中心として周回する少なくとも１つのエッジ５が配置されており、周回するエッジ５は、特に、ハウジング３と圧縮機ホイール２の間の分離領域３５に配置される。ここでは分離領域３５は、圧縮機ホイール２およびハウジング３という各コンポーネントの対合面によって、それぞれ一方のコンポーネントが特にそれぞれ周回する先端部１１を備える少なくとも１つの周回するエッジ５を有し、それぞれ他方のコンポーネントが少なくとも近似的に平坦な周回する対応面２３を有するように構成される。分離領域３５により、圧送セル２８および／またはそれぞれのサイドチャネル１９，２１の相互のカプセル封じを、および／または回転軸４に関して径方向で内側に位置する領域５０からの、および／または回転軸４に関して径方向で外側に位置するハウジング３の領域５２からのそれぞれのサイドチャネル１９，２１のカプセル封じをすることができる。サイドチャネル圧縮機１の特定の動作状況のとき、サイドチャネル１９，２１から外側に位置する領域５２への気体状の媒体の少なくとも部分的なわずかな通過運動が少なくとも一時的に行われ得る。このときエッジ５は分離領域３５で回転軸４を中心として周回するように、第１の直径領域２０および／または第２の直径領域２２でハウジング３に構成されている。ここではエッジ５の先端部１１は回転軸４に対して軸方向で圧縮機ホイール２の対応面２３に向かってアライメントされ、第１の直径領域２０はサイドチャネル１９，２１をその内径部で回転軸４に対して径方向に区切り、第２の直径領域２２はサイドチャネル１９，２１をその外径部で回転軸４に対して径方向に区切る。さらにカプセル封じによって、気体状の媒体が圧送セル２８の領域および／またはサイドチャネル１９，２１から、サイドチャネル圧縮機１の内側に位置する領域５０および／または外側に位置する領域５２へと侵入し得ることが防止される。それによってさらに、内側に位置する領域５０にある駆動装置６および／または軸受２７および／または駆動シャフト９という各コンポーネントが損傷することが防止される。電気式の駆動装置６の場合、重い成分である水や水素の侵入は短絡につながり、および／または駆動装置６の電気式もしくは軟磁性のコンポーネントの損傷につながり得る。このことはサイドチャネル圧縮機１全体の動作を制約し、さらには故障にまでつながり得る。

図２は、図１にＡ－Ａで表しているサイドチャネル圧縮機１の断面を拡大図として示しており、ハウジング３、ガス取込口１４、ガス吐出口１６、対称軸４８、中断領域１５、サイドチャネル１９、および媒体の流動方向４７が示されている。

図２に示すように、中断領域１５はハウジング３の中で回転軸４を中心として周回するように、特にガス取込口１４とガス吐出口１６の間にある。気体状の媒体が圧縮機ホイール２によって圧送され、および／またはその際にガス取込口１４からガス吐出口１６へと流動し、その際に少なくとも部分的にサイドチャネル１９，２１を貫流する。このとき流動方向４７でガス取込口１４からガス吐出口１６への循環が進捗するにつれて、圧送セル２８の、特に圧縮機ホイール２の圧送セル２８およびサイドチャネル１９，２１の中の気体状の媒体の圧縮および／または圧力および／または流速が高くなっていく。中断領域１５によって圧力側と吸込側の分離が引き起され、吸込側はガス取込口１４の領域にあり、圧力側はガス吐出口１６の領域にある。ここでは、中断領域１５はガス取込口１４とガス吐出口の間で、相前後して配置された複数の円弧状の突起１７を有することが示されている。円弧状の突起１７はここでは階段状に流動方向４７に、または階段状に流動方向４７と反対に延びることができる。ここで図２には、突起１７の端部が対称軸４８の方向で、サイドチャネル１９の中央からそれぞれの第１または第２の直径領域２０，２２に向かって流動方向４７で前方に向かって延びる第１の実施形態が示されている。別の実施形態では、突起１７が対称軸４８の方向でサイドチャネル１９の中央からそれぞれの第１または第２の直径領域２０，２２に向かって流動方向４７で後方に向かって延びることも可能である。このような種類の突起１７の配置と施工は、吸込側と圧力側の間の効率的な分離を中断領域１５を介して行えるという利点を提供する。このような分離が必要なのは、燃料電池システム３７での気体状の媒体の効率的な圧送を保証できるようにし、中断領域１５を介して圧力側から吸込側へ気体状の媒体の逆流および／または圧力低下が起こらないようにするためである。このとき相前後して配置された円弧状の突起１７を介して中断領域１５で圧力が段階的に低減され、それにより、圧力側と取込側の間の圧力差が次第に低減されていく。このとき円弧状の突起１７が階段状に延びるのがさらに好ましく、その端部が前方または後方に向かって延び、それによって圧力差の均等な低減が生じ、流動剥離に基づくマイナスの効果が生じることがない。それにより、中断領域１５での圧力損失を減らしてサイドチャネル圧縮機１の効率を高めることができる。

さらに、ハウジング３はそれぞれ少なくとも１つの周回するエッジ５を、第１の直径領域２０と第２の直径領域２２に有することが示されている。図２に示すとおり、第１の直径領域２０はここでは第１のサイドチャネル１９および／または第２のサイドチャネル２１を内径部で区切り、それに対して第２の直径領域２２はここでは第１のサイドチャネル１９および／または第２のサイドチャネル２１を外径部で区切る。

図３は、図１にＩＩで表しているサイドチャネル圧縮機１の断面を拡大図で示している。ここには、圧縮機ホイール２とハウジング３という各コンポーネントの対合面によって形成される分離領域３５が示されている。これら両方のコンポーネントのうちの一方がここでは対応面２３を構成し、それに対してそれぞれ他方のコンポーネントが回転軸４を中心として周回するエッジ５を構成し、エッジは対応面２３のほうを向く側で先端部１１を形成している。このような本発明による分離領域３５の構成の利点は、一方では、特に少なくとも近似的に平坦な２つの対応面２３からなる対合面を有する分離領域３５と比較して、液体の水の蓄積が防止され、もしくは少なくとも起こりにくくなることにある。このことは、エッジ５と対応面２３の間の分離領域３５に蓄積されるときに液体の水が、エッジ５と対応面２３の間の空間を満たすために広い表面を形成しなければならないことによって根拠づけられる。このことが特に該当するのは、エッジ５と対応面２３の間の間隔が狭いときであり、狭い間隔はカプセル封じをする作用の目的のために追求されるべきものであり、とりわけ水素が圧送される場合、羽根車とハウジングの間の機能関連の間隙は非常に小さく寸法決めされる。しかし液体の水の表面張力に基づき、表面エネルギーを下げようとする物理現象が常に生じ、すなわち、分子レベルでのダングリングボンドが液体の水の表面全体を飽和させようとする。このとき液体の水は、できる限り表面が小さい状態になろうとする。水分子にとっては、水部分の内部にあるほうがエネルギー的に好都合である。なぜなら、そこでは引力が相互に相殺されるからである。したがって水部分は、できるだけ少ない水分子しか表面に位置しなくてすむようにするために、常にできるだけ小さい表面を形成する。液体の水におけるこのような物理現象が、分離領域３５からの、特にエッジ５と対応面２３の間の領域からの、直接的な流出が行われるように作用する。なぜなら、そこでは液体の水の構成されるべき表面が、中間スペースを満たすには特別に広いからである。このとき発生する力は水の表面張力と同程度であり、および、理想的に構成された液滴形状および／または球形と比較したときの、分離領域３５における液体の水の広い表面形状のエネルギーレベル変化と同程度である。このような効果は液体の水の場合、特に他の液体と比較して特別に高い。なぜなら、表面張力の大きさは、実質的に、それぞれの液体分子の間の引力の強さに依存して決まるからである。水は、水分子の高い極性に基づいて、およびこれにより生じる強い水素架橋結合に基づいて、非常に高い表面張力を有している。それにより水と空気の間の表面は、張りのある弾性的な皮膚のように作用する。このように、たとえば重力効果および／または遠心力効果のような追加的に補助をする効果が液体の水に対して作用しなくても、分離領域３５からの液体の水の効率的な導出運動が引き起される。

エッジ５と対応面２３の相互の配置、および特に回転軸４に対する配置が、図４から図７のさらに別の実施例に示されている。ただし本発明は、ここで説明する各実施例およびその中で強調されている態様に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲に記載されている範囲内で、当業者の行為の枠内にある数多くの改変が可能である。

図４は、本発明の第２の実施例に基づく分離領域３５を有するサイドチャネル圧縮機１の模式的な断面図を示している。ここでは、エッジ５が分離領域３５で回転軸４を中心として周回するように第１の直径領域２０および／または第２の直径領域２２でハウジング３に構成されることが示されており、エッジ５の先端部１１は回転軸４に対して径方向で圧縮機ホイール２の対応面２３に向かってアライメントされており、第１の直径領域２０は回転軸４に対して径方向で、圧送セル２８の内径部から圧縮機ホイール２のハブディスク１３まで延びており、それに対して第２の直径領域２２は回転軸４に対して径方向で、圧送セル２８の外径部２２から外側に位置するカプセル封じされた領域５２の外径部までハウジング３の中で延びている。さらに、ハウジング３が第２の直径領域２２に、回転軸４を中心として周回する溝４６を有することが示されている。このとき溝４６は、たとえば圧力や遠心力に基づき、表面張力の効果によって分離領域３５からサイドチャネル１９，２１のうちの１つへ戻るように誘導できなかった液体の水を集めるための役目を果たす。このように、液体の水はこのケースでは分離領域３５から溝４６の領域へと案内され、そこから特に追加の接続通路によって、サイドチャネル圧縮機１の外部の領域へと案内される。別の実施形態では、特に窒素などの重い成分をサイドチャネル１９，２１の領域から集めるために、溝４６を利用することができる。特に第１の直径領域２０における、回転軸４を中心として周回する先端部１１を有するエッジ５と対応面２３との間の狭い間隔により、内側に位置する領域５０からのサイドチャネル１９，２１の確実なカプセル封じが保証される。図４には示さない別の実施形態では、サイドチャネル圧縮機１はエッジ５を圧縮機ホイール２に構成することができ、それに対して対応面２３はハウジング３に構成される。このときエッジ５は分離領域３５で回転軸４を中心として周回するように第１の直径領域２０および／または第２の直径領域２２で圧縮機ホイール２に構成され、エッジ５の先端部１１は回転軸４に対して径方向でハウジング３の対応面２３に向かってアライメントされ、第１の直径領域２０は圧送セル２８をその内径部で回転軸４に対して径方向に区切り、第２の直径領域２２は圧送セル２８をその外径部で回転軸４に対して径方向に区切る。

図５は、圧縮機ホイール２が第３の直径領域３８および第４の直径領域４０に周回する対応面２３を有することを示しており、対応面２３は回転軸４の方向で直線状かつ回転軸４に対して折曲した、特に周回する円錐状の推移を有し、対応面２３の推移は特に回転軸４の２つの方向で対称軸４８から対称に離れていくように延び、エッジ５の先端部１１はハウジング３で対応面２３に対して直交するように圧縮機ホイール２に向かってアライメントされ、第３の直径領域３８は圧送セル２８をその内径部で回転軸４に対して径方向に区切り、第４の直径領域４０は圧送セル２８をその外径部で回転軸４に対して径方向に区切る。周回する折曲した推移を有するサイドチャネル圧縮機１の対合面のこのような円錐状の推移によって、分離領域３５からの液体の水の改善された導出を行うことができる。なぜなら、両方の折曲した対応面２３のうちの少なくとも一方が重力の作用方向に対して良好にアライメントされるので、両方の折曲した対応面２３のうちの一方が液体の水の最善の排出を可能にするからである。それにより液体の水がこの機能関連の領域からいっそう容易に流出することができ、一方では、分離領域３５からそれぞれのサイドチャネル１９，２１への第３の直径領域３８での特に液体の水の流出が、回転軸４から径方向で離れていくように延びる遠心力に基づいて行われ、特に、圧縮機ホイール２の回転運動により気体状の媒体および／または液体の水に対して引き起される遠心力に基づいて行われる。それに伴い、内側に位置する領域５０への気体状の媒体および／または液体の水の侵入が防止される。他方では、特に分離領域３５から（図５には明示しない）周回する溝４６への第４の直径領域４０での特に液体の水の流出が、回転軸４から径方向に離れていくように延びる遠心力に基づいて保証され、特に、圧縮機ホイール２の回転運動により気体状の媒体および／または液体の水に対して引き起される遠心力に基づいて保証される。サイドチャネル１９，２１にある気体状の媒体が分離領域３５の境界領域から遠心力に基づいて離れていくように流れるときに、液体の水に対する吸引作用も分離領域３５で、特に第１の直径領域２０で行われることができ、それによって液体の水が分離領域３５から吸い出される。

図６は、ハウジング３が第１の直径領域２０および／または第２の直径領域２２に周回する対応面２３を有することを示しており、対応面２３は回転軸４の方向で少なくとも１つの直線状の、かつ回転軸４に対して折曲した、特に周回する円錐状の推移を有し、対応面２３の推移は特に回転軸４の２つの方向へ対称軸４８から対称に離れていくように延び、圧縮機ホイール２のエッジ５の先端部１１は対応面２３に対して直交するようにハウジング３に向かってアライメントされ、第１の直径領域２０はサイドチャネル１９，２１をその内径部で回転軸４に対して径方向に区切り、第２の直径領域２２はサイドチャネル１９，２１をその外径部で回転軸４に対して径方向に区切る。対応面の周回する円錐状の推移は、特にエッジ５および対応面２３の領域での遠心力に基づいて分離領域３５から液体の水を流出させるために、図５ですでに説明したのと同じ利点を含む。

図７には、エッジ５が分離領域３５で回転軸４を中心として周回するように第３の直径領域３８および／または第４の直径領域４０で圧縮機ホイール２に構成されることが示されており、エッジ５の先端部１１は回転軸４に対して軸方向でハウジング３の対応面２３に向かってアライメントされ、第３の直径領域３８は圧送セル２８をその内径部で回転軸４に対して径方向に区切り、第４の直径領域４０は圧送セル２８をその外径部で回転軸４に対して径方向に区切る。図７で説明しているエッジ５と対応面２３の相互の配置の実施例は、図１で説明した実施例に類似しているが、図７ではエッジ５が圧縮機２に配置されて対応面２３がハウジングに配置され、この実施例は図１の実施例で説明したのと同様の利点を提供する。

１ サイドチャネル圧縮機
２ 圧縮機ホイール
３ ハウジング
４ 回転軸
５ エッジ
１１ 先端部
１３ ハブディスク
１４ ガス取込口
１５ 中断領域
１６ ガス吐出口
１７ 突起
１９，２１ サイドチャネル
２０ 第１の直径領域
２２ 第２の直径領域
２３ 対応面
２８ 圧送セル
３０ 圧縮室
３５ 分離領域
３７ 燃料電池システム
３８ 第３の直径領域
４０ 第４の直径領域
４６ 溝
４７ 流動方向
４８ 対称軸
５０ 内側に位置する領域
５２ 外側に位置する領域

Claims (11)

1. 気体状の媒体を圧送および／または圧縮するための燃料電池システム（３７）のためのサイドチャネル圧縮機（１）であって、ハウジング（３）と、少なくとも１つの周回するサイドチャネル（１９，２１）を有する、前記ハウジング（３）の中にある圧縮室（３０）と、回転軸（４）を中心として回転可能に配置された、前記ハウジング（３）の中にある圧縮機ホイール（２）とを備え、前記圧縮機ホイール（２）はその円周に前記圧縮室（３０）の領域に配置された圧送セル（２８）を有し、さらに、前記圧縮室（３０）を介して互いに流体接続された、前記ハウジング（３）に構成されたガス取込口（１４）とガス吐出口（１６）をそれぞれ備え、前記圧縮室（３０）の領域では前記圧縮機ホイール（２）と前記ハウジング（３）の対合面による少なくとも１つの分離領域（３５）によってそれぞれの前記サイドチャネル（１９，２１）の封止が行われる、そのようなサイドチャネル圧縮機において、少なくとも１つの前記分離領域（３５）は前記圧縮機ホイール（２）と前記ハウジング（３）という各コンポーネントの対合面によって、それぞれ一方の前記コンポーネントが周回する先端部（１１）を有する周回するエッジ（５）を有し、それぞれ他方の前記コンポーネントが少なくとも近似的に平坦な周回する対応面（２３）を有するように構成され、
   前記ハウジング（３）は前記ガス取込口（１４）と前記ガス吐出口（１６）の間に中断領域（１５）を有し、前記中断領域（１５）は相前後して配置された複数の円弧状の突起（１７）を有し、
   前記円弧状の突起（１７）は階段状に流動方向（４７）に延び、または階段状に前記流動方向（４７）と反対に延びる、
   ことを特徴とするサイドチャネル圧縮機。
2. 少なくとも１つの前記分離領域（３５）は前記サイドチャネル（１９，２１）を相互に封止し、および／またはそれぞれの前記サイドチャネル（１９，２１）を前記回転軸（４）に関して径方向で内側に位置している前記ハウジング（３）の領域（５０）から封止し、および／または前記回転軸（４）に関して径方向で外側に位置している前記ハウジング（３）の領域（５２）から封止することを特徴とする、請求項１に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
3. 前記エッジ（５）と前記対応面（２３）はそれぞれの前記分離領域（３５）で前記回転軸（４）を中心として周回するように延びることを特徴とする、請求項１または２に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
4. 前記エッジ（５）は前記分離領域（３５）で前記回転軸（４）を中心として周回するように第１の直径領域（２０）および／または第２の直径領域（２２）で前記ハウジング（３）に構成され、前記エッジ（５）の前記先端部（１１）は前記回転軸（４）に対して軸方向に前記圧縮機ホイール（２）の前記対応面（２３）に向かってアライメントされ、前記第１の直径領域（２０）は前記サイドチャネル（１９，２１）をその内径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切り、前記第２の直径領域（２２）は前記サイドチャネル（１９，２１）をその外径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切ることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
5. 前記エッジ（５）は前記分離領域（３５）で前記回転軸（４）を中心として周回するように第３の直径領域（３８）および／または第４の直径領域（４０）で前記圧縮機ホイール（２）に構成され、前記エッジ（５）の前記先端部（１１）は前記回転軸（４）に対して軸方向で前記ハウジング（３）の前記対応面（２３）に向かってアライメントされ、前記第３の直径領域（３８）は前記圧送セル（２８）をその内径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切り、前記第４の直径領域（４０）は前記圧送セル（２８）をその外径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切ることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
6. 前記エッジ（５）は前記分離領域（３５）で前記回転軸（４）を中心として周回するように第１の直径領域（２０）および／または第２の直径領域（２２）で前記ハウジング（３）に構成され、前記エッジ（５）の前記先端部（１１）は前記回転軸（４）に対して径方向で前記圧縮機ホイール（２）の前記対応面（２３）に向かってアライメントされ、前記第１の直径領域（２０）は前記回転軸（４）に対して径方向で前記圧送セル（２８）の内径部から前記圧縮機ホイール（２）のハブディスク（１３）まで延び、それに対して前記第２の直径領域（２２）は前記回転軸（４）に対して径方向で前記圧送セル（２８）の外径部（２２）から前記ハウジング（３）の外側に位置する封止された領域（５２）の外径部まで延びることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
7. 前記エッジ（５）は前記分離領域（３５）で前記回転軸（４）を中心として周回するように第１の直径領域（２０）および／または第２の直径領域（２２）で前記圧縮機ホイール（２）に構成され、前記エッジ（５）の前記先端部（１１）は前記回転軸（４）に対して径方向で前記ハウジング（３）の前記対応面（２３）に向かってアライメントされ、前記第１の直径領域（２０）は前記圧送セル（２８）をその内径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切り、前記第２の直径領域（２２）は前記圧送セル（２８）をその外径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切ることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
8. 前記圧縮機ホイール（２）は第３の直径領域（３８）および／または第４の直径領域（４０）に前記周回する対応面（２３）を有し、前記対応面（２３）は前記回転軸（４）の方向において、直線状かつ前記回転軸（４）に対して傾斜した周回する円錐状の輪郭を有し、前記対応面（２３）の輪郭は対称軸（４８）から前記前記回転軸（４）の２つの方向へ対称に離れていくように延び、前記エッジ（５）の前記先端部（１１）は前記ハウジング（３）で前記対応面（２３）に対して直交して前記圧縮機ホイール（２）に向かうようにアライメントされ、前記第３の直径領域（３８）は前記圧送セル（２８）をその内径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切り、前記第４の直径領域（４０）は前記圧送セル（２８）をその外径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切ることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
9. 前記ハウジング（３）は第１の直径領域（２０）および／または第２の直径領域（２２）に前記周回する対応面（２３）を有し、前記対応面（２３）は前記回転軸（４）の方向において、少なくとも１つの直線状かつ前記回転軸（４）に対して傾斜した周回する円錐状の輪郭を有し、前記対応面（２３）の輪郭は対称軸（４８）から前記回転軸（４）の２つの方向へ対称に離れていくように向き、前記エッジ（５）の前記先端部（１１）は前記圧縮機ホイール（２）で前記対応面（２３）に対して直交して前記ハウジング（３）に向かうようにアライメントされ、前記第１の直径領域（２０）は前記サイドチャネル（１９，２１）をその内径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切り、前記第２の直径領域（２２）は前記サイドチャネル（１９，２１）をその外径部で前記回転軸（４）に対して径方向に区切ることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
10. 前記ハウジング（３）は前記第２の直径領域（２２）に前記回転軸（４）を中心として周回する溝（４６）を有することを特徴とする、請求項４に記載のサイドチャネル圧縮機（１）。
11. 前記媒体は水素である、請求項１から１０のいずれか１項記載のサイドチャネル圧縮機（１）。

Images