WO2019096471A1 - Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder ver-dichtung von einem gasförmigen medium - Google Patents

Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder ver-dichtung von einem gasförmigen medium Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a side channel compressor for a fuel cell system for conveying and / or compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, which is intended in particular for use in vehicles with a fuel cell drive.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the future.
  • gas flows are no longer controlled discontinuously as in the injection of liquid fuel, but the gas is taken from at least one high-pressure tank and passed to an ejector unit via an inflow line of a medium-pressure line system.
  • This ejector unit leads the gas via a connecting line of a low-pressure line system to a fuel cell. After the gas has passed through the fuel cell, it is returned to the ejector unit via a return line.
  • the side channel compressor can be interposed, which supports the gas recirculation in terms of flow and efficiency.
  • side channel compressors are used to support the flow structure in the fuel cell drive, in particular during a (cold) start of the vehicle after a certain service life.
  • the driving of these side channel blowers usually takes place via electric motors, which are supplied with voltage via the vehicle battery during operation in vehicles.
  • a side channel compressor for a fuel cell system in which a gaseous medium, in particular hydrogen, is conveyed and / or compressed.
  • the side channel compressor has a compressor wheel revolving in a housing, which is mounted on a drive shaft and is set in rotation by a drive and is thus arranged rotatably about a rotation axis.
  • the side channel compressor has a in the housing located in the compressor chamber having at least one umlau fenden side channel.
  • the compressor wheel has at its circumference in the region of the compressor chamber arranged on delivery cells.
  • a gas inlet opening and a gas outlet opening are in each case angeord net, which are fluidly connected to each other via the at least one side channel.
  • an encapsulation of at least one side channel is effected by at least one separation region by means of a surface pairing of the compressor wheel and the housing.
  • the known from DE 10 2007 053 016 Al side channel blower can ge know disadvantages.
  • the side channel compressor in particular as Rezirkulationsgebläse
  • it may come in egg nem interior of the side channel compressor for the formation of liquid water, in particular by condensation from the gaseous medium.
  • this water settles at low ambient temperatures on the piping of the system but also on the rotating parts of the side channel compressor, such as a bearing, shaft or compressor wheel.
  • a side channel compressor which prevents by a formation and arrangement of the flow housing cover under half of the impeller in the direction of gravity, a contact of liquid water and / or the formation of ice bridges on the moving components.
  • the side channel compressor described in DE 10 2015 00 264 Al may have certain disadvantages.
  • the installation position of the side channel compressor in the fuel cell system and / or in the vehicle, for example, is not variable due to the structural design of the Sokanalverdich age, in particular by the geodetically arranged below the impeller flow housing cover.
  • a side channel compressor is formed such that the at least one separation area is formed by a surface pairing of a compressor and a housing that each one component circumferential edges, in particular with circumferential peaks and the respective other component has a circumferential at least approximately planar against surface has.
  • the surface pairings can be prevented that between the compressor wheel and the housing, in particular in the separation area, liquid water sam can, thereby ensuring that at low temperatures no ice bridges can form in the separation area.
  • an attachment of liquid water in the separation area is prevented by the peripheral peaks in such a way that the effect of the surface tension of the liquid water is made use of.
  • the side channel compressor can be started without problems even at low temperatures, in particular outside temperatures below 0 ° C, and long service life.
  • the mounting position and / or position of the side channel compressor in a fuel cell system and / or vehicle is flexible in a wide range, since the gravity effect for discharging the water can be set in a wide angle range and the main effect for the discharge of water from the geometric Expression and / or centrifugal forces results. Furthermore, damage to the rotating parts of the side channel compressor and / or a drive, in particular an electric drive, due to ice bridge formation and / or penetrating liquid water, can be prevented.
  • the at least one separation region encapsulates the side channels from one another and / or the respective side channel from a radially inner region of the housing relative to a rotation axis and / or a region of the housing that is radially outer with respect to the rotation axis.
  • the advantage can be achieved that an encapsulation of the at least one side channel and / or the conveyor cell to the réellelie ing area and / or the inner region is carried out in the housing.
  • it prevents either hydrogen and / or the heavy ones Components from the area of the compressor chamber in the region of the side channel compressor penetrate, in which there are components that can be damaged by hydrogen and / or the heavy components.
  • the life of the bearing of a drive shaft can be increased because damage from corrosion, in particular by contact with water, is prevented by the encapsulation of the inner region.
  • an electrical short circuit is prevented by fluid entry into the electrical components, since all electrical components, such as a drive to find in the inner encapsulated region of the side channel compressor be and thus protected against liquid. Thereby, the probability of failure probability of the side channel compressor is reduced and the life of the fuel cell system can be increased.
  • the edges and the Gegenflä surface in the respective separation area circumferentially around the axis of rotation.
  • a low-friction and low-impact rotation of the compressor wheel ge be guaranteed, since there is a possible guiding effect of the compressor wheel by the peripheral edges in a rotation.
  • the part can be achieved before that the risk of tilting and / or tilting of the compressor wheel is reduced.
  • Another advantage of the umlau around the axis of rotation fenden edges and the mating surface is that a good encapsulation of the areas of the side channels and / or the inner region and / or the mecaniclie ing area can be achieved from each other. As a result, the lifetime of the side channel compressor can be increased while the probability of failure of the entire fuel cell system is reduced.
  • the edges in the separation area are circumferentially formed around the axis of rotation in a first diameter region and / or egg NEM second diameter region on the housing.
  • the Spit zen edges are aligned axially to the axis of rotation to the counter surface on the compressor wheel, wherein the first diameter range limits the side channels at their inner diameter radially to the axis of rotation and the second diameter range limits the side channels at their outer diameter radially to the axis of rotation.
  • this contour can be done by machining, in particular removal of the already existing plan running surface in the housing.
  • the surface is radial to the axis of rotation and processing is necessary only in the separation area.
  • existing housing can be used and it is only a processing step of the removal required. This results in the advantage that the cold start capability of the side channel compressor can be improved, while only small additional manufacturing costs arise.
  • the edges are in Tren nungs Scheme circumferentially formed about the axis of rotation in a third diameter range and / or a fourth diameter range on the compressor wheel. Since at the tips of the edges are aligned axially to the axis of rotation to the counter surface in the Ge housing and the third diameter range limits the delivery cell at its inner diameter radially to the axis of rotation. Furthermore, the fourth diameter range limits the delivery cell at its outer diameter radially to the axis of rotation.
  • the en pursue contour can be generated on the compressor, for example, in one step by means of procedural displacement rollers, without a material removal or a material application is necessary.
  • This offers the advantage that no changes to the already existing con structive expression of the compressor wheel are necessary.
  • only one processing step is required, and thus cost-effective implementation of the particularly advantageous further development of freeze protection can take place.
  • the cold start capability of the side channel compressor can be improved, while only small additional manufacturing costs arise.
  • the edges in the separation area are formed circumferentially around the axis of rotation in the first diameter area and / or in the second diameter area on the housing.
  • the Spit zen the edges are radially aligned to the axis of rotation to the counter surface on the compressor wheel and thereby extends the first diameter range radially to the rotation axis of the inner diameter of the feed cell to the hub disc of the Ver dichterrads.
  • the second diameter region extends radially to the axis of rotation from the outer diameter of the delivery cell to the outer diameter of the outer encapsulated region in the housing.
  • the advantage can be achieved that a compact design can be achieved despite the introduction of the edges with the tips in the housing and in the separation area, while a reliable drainage of the liquid water, in particular radially to the rotation axis, prevents ice bridging. It is advantageous that improved cold start capability and higher reliability of the side channel compressor in the fuel cell system and / or in the vehicle can be ensured, while despite the advantageous function of freezing protection of the compressor wheel, no additional installation space in the housing is required.
  • the edges in the separation area are formed circumferentially about the axis of rotation in the third diameter area and / or in the fourth diameter area on the compressor wheel, wherein the tips of the edges are aligned radially to the axis of rotation to the counter surface on the housing.
  • the third diameter range limits the delivery cell at its inner diameter radially to the axis of rotation and the fourth diameter range limits the delivery cell at its outer diameter radially to the axis of rotation.
  • the application and / or introduction of the edges and / or tips can be done on the compressor in only one step.
  • the cost-favorable and rapid process rollers in particular ring rollers and / or transverse rollers, can be used to produce the en pursueende contour of the edges with the tips.
  • the manufacturing costs for the Sokanalver can be kept denser while the cold start capability is improved, resulting in a longer life of the side channel compressor and the fuel cell system even at low ambient temperatures and long downtime of the fuel cell system.
  • the compressor wheel in the first diameter region and / or the second diameter region on the circumferential counter surface, wherein the counter surface in the direction of the axis of rotation has a linear and angled to the axis of rotation, in particular circumferential ke gel-shaped course.
  • the course of the counter surface is in particular symmetrically directed away from a symmetry axis in two directions of the axis of rotation and while the tips of the edges are aligned orthogonal to the housing on the opposite surface to the compressor wheel.
  • the delivery cell at its inner diameter radially to the axis of rotation and the fourth diameter range limits the conveyor cell at its outer diameter radially to the axis of rotation.
  • the tips of the edges on the compressor wheel are oriented orthogonally to the counter surface to the housing and the first diameter range limits the side channels at their inner diameter radially to the axis of rotation. Furthermore, the second diameter range limits the side channels at their outer diameter radially to the axis of rotation.
  • the housing has a Unterbre cher area between the gas inlet opening and the gas outlet opening, wherein the breaker area has a plurality of successively arranged bogenför shaped projections.
  • the arcuate projections trep penförmig in a flow direction or stepped against the Strö flow direction, wherein the ends of the projections in the direction of symmetry axis from the middle of the side channel to the respective first or second diameter range in the direction of flow leading or lagging.
  • the housing in the second diameter range on a circumferential axis of rotation groove.
  • the heavy components which are in particular liquid water and / or water vapor and / or nitrogen
  • the groove has a discharge bore through which the heavy components from the housing can be directed out from.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the section of the side channel compressor denoted by A-A in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a section of the side channel compressor, designated II in FIG. 1, in an enlarged view
  • Figure 4 is a schematic sectional view of the side channel compressor with egg nem separation area according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 5 is a schematic sectional view of the side channel compressor with the
  • Figure 6 is a schematic sectional view of the side channel compressor with the
  • Figure 7 is a schematic sectional view of the side channel compressor with the
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an inventions to the invention side channel compressor. 1
  • the side channel compressor 1 in this case has a compressor wheel 2, which is rotatably mounted in a housing 3 about a ho zontally extending axis of rotation 4. Since serving a drive 6, in particular an electric drive 6, as a rotary drive 6 of the compressor wheel 2.
  • the compressor 2 is rotatably mounted on a drive shaft 9 and is in particular by means of a press fit with the drive shaft 9 is connected.
  • the compressor wheel 2 has an inner compressor wheel hub 10, wherein the compressor wheel hub 10 has a recess through which the drive shaft 9 is inserted.
  • the compressor wheel hub 10 is also circumferentially bounded on the side remote from the axis of rotation 4 by a hub foot 12.
  • a circumferential circular hub disc 13 wherein the compaction terrad 2 also an outer side of the hub disc 13 subsequent För derzelle 28 is formed.
  • a plurality of conveyor cells 28 extends circumferentially about the axis of rotation 4 in a peripheral compressor chamber 30 of the housing 3 in the compressor 2.
  • the housing 3 in the region of the compressor chamber 30 on a first circumferential side channel 19 and / or a second circumferential side channel 21.
  • the side channels 19, 21 extend in such a way in the housing 3 in the direction of the axis of rotation 4, that they axially duri to the conveyor cell 28 duri fen.
  • the side channels 19, 21 may extend at least in a portion of the housing 3 circumferentially about the rotation axis 4, wherein in the portion in which the side channels 19, 21 is not formed in the housing 3, a Unterbre cher area 15 formed in the housing 3 is, wherein the breaker portion 15 has arcuate projections 17.
  • the drive shaft 9 is connected at one end axially to the axis of rotation 4 at least cardanically with the drive 6.
  • the drive shaft 9 forms a bearing pin 36 axially to the axis of rotation 4 on its side facing away from the drive 6, wherein in the region of the bearing pin 36, another bearing 27 is located.
  • the bearings 27 can be rolling bearings 27, in particular ball bearings 27.
  • the housing 3 forms a gas inlet opening 14 and a gas outlet opening 16.
  • the gas inlet opening 14 and the gas outlet opening 16, in particular via the at least one side channel 19, 21 are fluidly connected to one another.
  • a torque on the compressor wheel hub 10 is transmitted to the compressor 2.
  • the compressor wheel 2 is placed in Rotationsbewe movement and the conveyor cell 28 moves in a rotational movement circumferentially about the axis of rotation 4 through the compressor chamber 30 in the housing 3 in the direction of flow 47 (see Fig. 2).
  • a gaseous medium already in the compressor chamber 30 is moved by the conveyor cell 28 and thereby promoted and / or compressed.
  • a movement of the gaseous medium, in particular a flow exchange takes place between the delivery cell 28 and the at least one side channel 19, 21. It is crucial for the conveying effect that a Zirkulationsströ determination 26 can form within the respective side channel 19, 21 during operation.
  • the side channels 19, 21 are pneumatically separated from each other by means of the surface pairings in a separation region 35. This is usually achieved by a minimum of play between the mentioned surfaces pairings.
  • the gaseous medium which is in particular an unconsumed recirculation medium from a fuel cell 39, flows via the gas inlet opening 14 into the compressor chamber 30 of the side channel compressor 1 and / or is guided and / or becomes the side channel compressor 1 from the area of the gas inlet opening 14 is vorgela siege, sucked.
  • the gaseous medium is discharged after passing through the gas outlet opening 16 of the side channel compressor 1 and flows into a fuel cell system 37.
  • a symmetry axis 48 is shown, which is orthogonal to the axis of rotation 4 and symmetrically centered by the sectional geometry of the compressor wheel 2. Furthermore, it is shown in FIG. 1 that in the compressor chamber 30 of the housing 3 at least one circumferential edge 5 is arranged around the axis of rotation 4, wherein the peripheral edge 5 is arranged in particular in the separation region 35 between the housing 3 and the compressor wheel 2.
  • the Tren Vietnamesesbe is rich 35 formed by a pair of surfaces of the components compressor wheel 2 and Ge housing 3, that each one component at least one peripheral edge 5, in particular with a peripheral tip 11, and the respective other component has a circumferential at least approximately flat Jacobus surface 23 has.
  • an encapsulation of the För derzelle 28 and / or the respective side channel 19, 21 from each other and / or the respective side channel 19, 21 from a relative to the axis of rotation 4 radially inner region 50 and / or with respect to the axis of rotation 4 radially au outer region 52 of the housing 3 encapsulates.
  • an at least partial and admisi ges passing through the gaseous medium from 39kanalv 19, 21 in the outer region 52 at least temporarily take place.
  • the edges 5 are in the separation area 35 circumferentially around the rotation axis 4 in a first diameter portion 20 and / or a second diameter portion 22 on the Ge housing 3 is formed.
  • the tips 11 of the edges 5 are aligned axially to the rotation axis 4 to the counter surface 23 on the compressor 2 and the first diam ser Scheme 20 limits the side channels 19, 21 at its inner diameter ra dial to the axis of rotation 4 and the second diameter portion 22 limits the Be tenkanäle 19, 21 at its outer diameter radially to the axis of rotation 4.
  • the encapsulation is also prevents the gaseous medium from the loading area of the conveyor cell 28 and / or the side channels 19, 21 in the inner lying the area 50 and / or the outer area 52 of the sokanalver Dichters 1 can penetrate. This prevents further that the components drive 6 and / or bearing 27 and / or drive shaft 9, which are located in the interior of the area 50, are damaged.
  • FIG. 2 shows a designated in Fig. 1 with AA section of the sokanalverdich age 1 in an enlarged view in which the housing 3, the gas inlet opening 14, the gas outlet opening 16, the axis of symmetry 48, the breaker area 15, the Side channel 19, and the flow direction 47 of the medium are provided.
  • the breaker portion 15 is circumferentially about the rotation axis 4 in the housing 3, in particular between the gas inlet opening
  • the gaseous medium is promoted by the Ver dichterrad 2 and / or flows from the gas inlet opening 14 to the gas outlet opening 16 and flows through it, at least partially, the side channels 19, 21.
  • FIG. 15 shows a first embodiment in which the ends of the projections 17 extend in the direction of the axis of symmetry 48 from the middle of the side channel 19 to the respective first or second diameter region 20, 22 in the direction of flow 47.
  • the projections 17 it is also possible for the projections 17 to follow the direction of the symmetry axis 48 from the middle of the side channel 19 to the respective first or second diameter range 20, 22 in the direction of flow 47.
  • Such an arrangement and design of the projections 17 offers the advantage that an effective separation between the suction side and the pressure side can take place via the interrupter region 15. This separation is necessary so that an effective promotion of the gaseous medium in the fuel cell system 37 can be ensured and no reflux and / or pressure reduction the gaseous medium from the pressure side to the suction side over the Unterbre cher area 15 takes place.
  • the pressure is gradually built on the hineinan the arranged arcuate projections 17 in the interrupter area 15 from, so that the differential pressure between the pressure side and the A lassseite degrades more and more. It is also advantageous that the bogenför shaped projections 17 run in steps, with their ends leading or lagging running, whereby a uniform degradation of the differential pressure sets and can set any negative effects due to a Strömungsabris ses. As a result, the pressure losses can be reduced in the breaker area 15 and the efficiency of the side channel compressor 1 stei like.
  • the housing 3 has at least one peripheral edge 5 in the first diameter area 20 and in the second diameter area 22. As shown in Fig. 2 limits the first diameter portion 20 thereby the first side channel 19 and / or the second side channel 21 at the inner diameter, while the second diameter portion 22 as at the first side channel 19 and / or the second side channel 21 on the outside diameter limited ,
  • Fig. 3 shows a designated in Fig. 1 with II section of the side channel compressor 1 in an enlarged view.
  • the separation area 35 is shown, which is formed by a surface pairing of the components compressor wheel 2 and 3 housing.
  • One of the two components forms the mating surface 23, currency end, the other component forms the peripheral around the axis of rotation 4 edges 5, wherein the edges on the opposite surface 23 side facing the Spit zen 11 forms.
  • the advantage of this embodiment according to the invention of the separation region 35 is that on the one hand an attachment of liquid water is prevented or at least made more difficult, in particular in comparison to the separation region 35 with a surface pairing of two at least approximately planar surfaces 23.
  • the resulting force is in this case as large as the surface tension of the water and the energy level change tion between a large surface shape of the liquid water in Tren tion area 35 compared to an ideally formed drop shape and / or spherical shape.
  • This effect is particularly great in liquid water, especially when compared to other liquids, since the magnitude of the surface tension depends essentially on the strength of the attractive forces between the liquid molecules. Due to the high polarity of the water molecules and the resulting strong hydrogen bonds, water has a very high surface tension. As a result, the surface between water and air acts like a stretched, elastic skin. Thus, an effective moving out of the liquid water from the separation area 35 can be effected, even if no additional supporting effects, such as, for example, a gravitational force effect and / or centrifugal force effect on the liquid water.
  • FIGS. 4 to Fig. 7 The arrangement of the edges 5 and the counter surface 23 to each other, and in particular to the rotation axis 4, is shown in further embodiments in FIGS. 4 to Fig. 7.
  • the invention is not limited to those described here Embodiments and the aspects highlighted therein limited. Much more is within the range specified by the claims a variety of modifications possible, which are within the scope of expert action.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the side channel compressor 1 with the separation area 35 according to a second exemplary embodiment of the invention. It is shown that the edges 5 are formed in the separation area 35 circumferentially about the rotation axis 4 in the first diameter portion 20 and / or in the second diameter portion 22 on the housing 3, wherein the Spit zen 11 of the edges 5 radially to the rotation axis 4 to the counter surface 23rd are aligned on the compressor wheel 2 and wherein the first diameter portion 20 extends radially to the axis of rotation 4 from the inner diameter of the conveyor cell 28 to the hub disc 13 of the compressor 2, while the second diam ser Suite 22 radially to the axis of rotation 4 from the outer diameter 22 of the conveyor cell 28 to extends to the outer diameter of the outer encapsulated portion 52 in the housing 3.
  • the housing 3 in the second diameter portion 22 has a circumferential groove 46 about the rotation axis 4.
  • the groove 46 may serve to collect liquid water, which can not be derived by the effect of the surface tension from the separation region 35 back into one of the side channels 19, 21, for example due to pressure or centrifugal forces.
  • the liquid water can be conducted out of the separation region 35 into the region of the groove 46, from where it is conducted, in particular, by means of an additional connection channel into an area outside the side channel compressor 1.
  • the groove 46 can be used to collect heavy components, in particular nitrogen, from the region of the side channels 19, 21.
  • edges 5 in the separation area 35 are circumferentially about the axis of rotation 4 in the first diameter portion 20 and / or in the second diameter Be the case rich 22 formed on the compressor 2, wherein the tips of the edges 5 ra 6 are aligned to the rotation axis 4 to the counter surface 23 on the housing 3 and wherein the first diameter portion 20, the delivery cell 28 at its inner diameter radially limited to the axis of rotation 4 and the second Naturalmesserbe rich 22 limits the delivery cell 28 at its outer diameter radially to the axis of rotation 4.
  • the compressor wheel 2 in a third diameter portion 38 and a fourth diameter portion 40 has the circumferential counter surface 23, wherein the counter surface 23 in the direction of the rotation axis 4 has a linear and angled to the rotation axis 4, in particular circumferential conical shape, wherein the course of the counter surface 23 in particular symmetrically from a symmetry axis 48 away in two directions of the axis of rotation 4 and wherein the tips 11 of the edges 5 are aligned on the housing 3 orthogonal to the counter surface 23 to the compressor 2 out and the third diameter area 38, the conveyor cell 28 limited at its inner diameter radially to the rotation axis 4 and the fourth diameter portion 40, the delivery cell 28 is limited at its outer diameter radially to the axis of rotation 4.
  • the liquid water can flow more easily from this function-relevant area, wherein on the one hand, a flow, in particular of the liquid water, in the third diameter portion 38 from Trennungsbreich 35 to the respective side channel 19, 21 due to the axis of rotation 4 radially away centrifugal forces, especially due the centrifugal forces caused by the rotational movement of the compressor wheel 2 on the gaseous Me and / or liquid water.
  • a flow, in particular of the liquid water, in the fourth diameter region 40 from the separation area 35 to the peripheral groove 46 (not explicitly illustrated in FIG ensured by the rotation axis 4 radially away centrifugal forces, in particular special due to the centrifugal forces caused by the rotational movement of the compressor wheel 2 on the gaseous medium and / or liquid water. It can also be a sucking effect on the liquid water in the separation area 35, in particular in the first Druchmesser Scheme 20 when the tenkanal in 19, 21 located gaseous medium from the boundary region of Tren nungs Schemes 35 flows away due to the centrifugal forces and thereby the liquid water is sucked off the separation area 35.
  • Fig. 6 it is shown that the housing 3 rich in the first fürmesserbe 20 and / or the second diameter portion 22, the circumferential counter surface 23, wherein the counter surface 23 in the direction of the axis of rotation 4 min least a linear and the axis of rotation 4 angled, in particular to continuously tapered, course, wherein the course of the counter surface 23 in particular symmetrically away from the axis of symmetry 48 away in two directions of the axis of rotation 4 and wherein the tips 11 of the edges 5 on the compressor wheel 2 are aligned orthogonal to the counter surface 23 to the housing 3 out and wherein the first diameter portion 20, the side channels 19, 21 limited at their inner diameter radially to the axis of rotation 4 and the second fürmesserbe rich 22, the side channels 19, 21 at its outer diameter radially to the rotation axis 4 limited.
  • the circumferentially conical course of the mating surface includes the same advantages for draining the liquid water from the separation area 35 due to the centrifugal forces, in particular the area of the edges 5 and the
  • Fig. 7 it is shown that the edges 5 are formed in the separation region 35 circumferentially about the rotation axis 4 in the third diameter portion 38 and / or the fourth diameter portion 40 on the compressor 2, the tips 11 of the edges 5 axially to the axis of rotation 4 to the counter surface 23 in the housing 3 are aligned and wherein the third diameter portion 38, the delivery cell 28 is limited at its inner diameter radially to the axis of rotation 4 and the fourth diameter range 40, the delivery cell 28 is limited at its outer diameter radially to the axis of rotation 4.
  • the described in Fig. 7 embodiment of the arrangement of the edges 5 and the counter surface 23 to each other is similar to that in FIG. 1, wherein in Fig. 7, the edges 5 on Kompich terrad 2 and the counter surface 23 is disposed on the housing, said guide from this example provides the same advantages, as described in the embodiment of FIG.

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Abstract

Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (37) zur Förderung und/oder Verdichtung eines Gases, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3), mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterraum (30), der zwei umlaufende Seitenkanäle (19, 21) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterrad (2), das drehbar um eine Drehachse (4) angeordnet ist, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums (30) angeordnete Förderzellen (28) aufweist und mit jeweils einer am Gehäuse (3) ausgebildeten Gas- Einlassöffnung (14) und einer Gas- Auslassöffnung (16), die über den Verdichterraum (30), insbesondere die zwei Seitenkanäle (19, 21), fluidisch miteinander verbunden sind und wobei im Bereich des Verdichterraums (30) eine Kapselung des jeweiligen Seitenkanals (19, 21) durch mindestens einen Trennungsbereich (35) mittels einer Flächenpaarung des Verdichterrades (2) und des Gehäuses (3) erfolgt. Erfindungsgemäß wird dabei der mindestens eine Trennungsbereich (35) derart durch eine Flächenpaarung der Bauteile Verdichterrad (2) und Gehäuse (3) ausgebildet, dass das jeweils eine Bauteil umlaufende Kanten (5), insbesondere mit umlaufenden Spitzen (11), aufweist und das jeweils andere Bauteil eine umlaufende zumindest annähernd ebene Gegenfläche (23) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoff- zellensystem zum Fördern und/oder Verdichten von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasför- mige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens ei- nem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruck- leitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brenn- stoffzelle. Nachdem das Gas durch die Brennstoffzelle geströmt ist wird es über eine Rückführleitung zurück zur Ejektoreinheit geführt. Dabei kann der Seitenka- nalverdichter zwischengeschaltet werden, der die Gasrückführung strömungs- technisch und effizienztechnisch unterstützt. Zudem werden Seitenkanalverdich- ter zur Unterstützung des Strömungsaufbaus im Brennstoffzellenantrieb einge- setzt, insbesondere bei einem (Kalt)-Start des Fahrzeugs nach einer gewissen Standzeit. Das Antreiben dieser Seitenkanalverdichter erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden.
Aus der DE 10 2007 053 016 A1 ist ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoff- zellensystem bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasser- stoff, gefördert und/oder verdichtet wird. Der Seitenkanalverdichter weist ein in einem Gehäuse umlaufendes Verdichterrad auf, das auf einer Antriebswelle be- festigt ist und von einem Antrieb in Rotation versetzt wird und somit drehbar um eine Drehachse angeordnet ist. Weiterhin weist der Seitenkanalverdichter einen in dem Gehäuse befindlichen Verdichterraum auf, der mindestens einen umlau fenden Seitenkanal aufweist. Das Verdichterrad weist dabei an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums angeordnete Förderzellen auf. Im Gehäuse ist zudem jeweils eine Gas- Einlassöffnung und eine Gas-Auslassöffnung angeord net, die über den mindestens einen Seitenkanal fluidisch miteinander verbunden sind. Dabei wird im Bereich des Verdichterraums eine Kapselung des mindes tens einen Seitenkanals durch mindestens einen Trennungsbereich mittels einer Flächenpaarung des Verdichterrades und des Gehäuses bewirkt.
Der aus der DE 10 2007 053 016 Al bekannte Seitenkanalverdichter kann ge wisse Nachteile aufweisen. Bei der Verwendung des Seitenkanalverdichters, ins besondere als Rezirkulationsgebläse, im Brennstoffzellensystem kann es in ei nem Innenraum des Seitenkanalverdichters zur Bildung von flüssigem Wasser, insbesondere durch Auskondensation aus dem gasförmigen Medium, kommen. Im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellensystems im Fahrzeug setzt sich dieses Wasser bei niedrigen Umgebungstemperaturen an den Verrohrungen des Systems aber auch an den rotierenden Teilen des Seitenkanalverdichters wie ei- nem Lagern, Welle oder Verdichterrad ab. Beim Starten des Fahrzeugs und so- mit der Brennstoffzellenordnung kann dies bei zu großer Eisbrückenbildung zu einem Blockieren des Antriebs führen, wodurch die rotierenden Teile, insbeson- dere das Verdichterrad, beschädigt werden können und/oder ein Starten des Systems erschwert beziehungsweise verzögert oder vollständig verhindert wird.
In der DE 10 2015 00 264 Al ist ein Seitenkanalverdichter beschrieben, der durch eine Ausformung und Anordnung des Strömungsgehäusedeckels unter halb des Laufrades in Wirkrichtung der Schwerkraft, ein Kontakt von flüssigem Wasser und/oder die Ausbildung von Eisbrücken an den beweglichen Bauteilen verhindert. Jedoch kann der in der DE 10 2015 00 264 Al beschriebene Seiten kanalverdichters gewisse Nachteile aufweisen. Die Einbaulage des Seitenkanal verdichters im Brennstoffzellensystem und/oder im Fahrzeug ist beispielsweise nicht variabel aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Seitenkanalverdich ters, insbesondere durch den geodätisch unterhalb des Laufrades angeordneten Strömungsgehäusedeckel. Wird eine sehr spezifische Einbaulage des Seitenka nalverdichters im Fahrzeug und/oder Neigungswinkel des Fahrzeugs nicht einge- halten, beispielsweise aufgrund von Bauraumrestriktionen des Fahrzeugherstel lers und/oder eines an einer abschüssigen Strasse geparkten Fahrzeugs, so kann eine zuverlässige Vermeidung von Eisbrückenbildung zwischen den Bautei len nicht realisiert werden, da sich aufgrund der Verkippung flüssiges Wasser zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse sammelt. Dies ist dadurch be dingt, dass sich der in der DE 10 2015 00 264 Al beschriebene Seitenkanalver dichter des Effekts der Schwerkraft zunutze macht, um das flüssige Wasser ab zuleiten. Des Weiteren kann es bei einem unvollständigen Abführen des flüssi gen Wassers in den Bereich des Zwischenraum zu einer Eisbrückenbildung zwi schen dem Laufrad und dem Gehäuse kommen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist ein Seitenkanalverdichter derart ausgebildet, dass der mindestens eine Trennungsbereich derart durch eine Flächenpaarung eines Verdichterrads und eines Gehäuses ausgebildet ist, dass das jeweils eine Bauteil umlaufende Kanten, insbesondere mit umlaufenden Spitzen aufweist und das jeweils andere Bauteil eine umlaufende zumindest annähernd ebene Gegen fläche aufweist. Auf diese Weise kann aufgrund der geometrischen Ausformung der Flächenpaarungen verhindert werden, dass sich zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse, insbesondere im Trennungsbereich, flüssiges Wasser sam meln kann, wodurch sichergestellt wird, dass sich bei niedrigen Temperaturen keine Eisbrücken im Trennungsbereich ausbilden können. Dabei wird eine Anla gerung von flüssigem Wasser im Trennungsbreich durch die umlaufenden Spit zen derart verhindert, dass sich der Effekt der Oberflächenspannung des flüssi gen Wasser zunutze gemacht wird. Dadurch lässt sich der Seitenkanalverdichter auch bei niedrigen Temperaturen, insbesondere Außentemperaturen unter 0°C, und langen Standzeiten problemlos starten. Die Einbaulage und/oder Lage des Seitenkanalverdichters in einem Brennstoffzellensystem und/oder Fahrzeug ist dabei in einem großen Bereich flexibel, da sich der schwerkraftbedingter Effekt zur Ableitung des Wassers in einem großen Winkelbereich einstellen kann und der hauptsächliche Effekt zur Ableitung des Wassers aus der geometrischen Ausprägung und/oder Fliehkräften ergibt. Weiterhin kann eine Schädigung der rotierenden Teile des Seitenkanalverdichters und/oder eines Antriebs, insbeson- dere eines elektrischen Antriebs, aufgrund von Eisbrückenbildung und/oder ein- dringendem flüssigem Wasser, verhindert werden. Weiterhin kann ein Blockieren des Verdichterrads bei einem Kaltstart aufgrund von Eisbrücken verhindert wer- den, wodurch sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die vorteilhafte Funktion eines Einfrierschutzes des Verdichterrads ergibt. Dies führt zu einer ver- besserten Kaltstartfähigkeit und einer höheren Zuverlässigkeit des Seitenkanal- verdichter im Brennstoffzellensystems und/oder im Fahrzeugs.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Seitenkanalverdichter mög lich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kapselt der mindestens eine Trennungsbereich die Seitenkanäle voneinander und/oder den jeweiligen Seiten kanal von einem bezüglich einer Drehachse radial innenliegenden Bereich des Gehäuses und/oder einem bezüglich der Drehachse radial außenliegenden Be reich des Gehäuses. Auf diese Weise kann zum einen der Vorteil erzielt werden, dass durch die Kapselung der Seitenkanäle voneinander ein Austausch des gas förmigen Mediums zwischen den beiden Seitenkanälen nur durch die Förderzel len des Verdichterrades stattfinden kann, was bei einem sich in Drehung befindli chen Förderrad aufgrund der Strömungsverhältnisse nur begrenzt möglich ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich in beiden Seitenkanälen ein von einander unabhängiger Druckaufbau und eine unabhängige Zirkulationsströmung mit dem Gehäuse ausbildet, wobei ein Impulsaustausch zwischen Kanal- und Laufradströmung in beiden Seitenkanälen genutzt wird. Dies bietet den Vorteil, dass der Wirkungsgrad und/oder das Fördervolumen des Seitenkanalverdichters erhöht werden kann, insbesondere im Vergleich zu Seitenkanalverdichtern mit nur einem Seitenkanal.
Weiterhin kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass eine Kapselung des mindestens einen Seitenkanals und/oder der Förderzelle zu dem außenlie genden Bereich und/oder dem innenliegenden Bereich im Gehäuse erfolgt. Auf diese Weise wird verhindert, dass entweder Wasserstoff und/oder die schweren Bestandteile aus dem Bereich des Verdichterraums in Bereich des Seitenkanal verdichters Vordringen, in dem sich Bauteile befinden, die durch Wasserstoff und/oder die schweren Bestandteile geschädigt werden können. Somit kann bei spielsweise die Lebensdauer der Lager einer Antriebswelle erhöht werden, da eine Schädigung durch Korrosion, insbesondere durch Kontakt mit Wasser, durch die Kapselung des innenliegenden Bereichs verhindert wird. Des Weiteren wird ein elektrischer Kurzschluss durch Flüssigkeitseintrag in die elektrischen Bauteile verhindert, da sich alle elektrischen Bauteile, wie beispielsweise ein An trieb in dem innenliegenden gekapselten Bereich des Seitenkanalverdichters be finden und somit gegen Flüssigkeit geschützt sind. Dadurch wird die Ausfallwahr scheinlichkeit des Seitenkanalverdichters reduziert und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems kann erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung verlaufen die Kanten und die Gegenflä che im jeweiligen Trennungsbereich umlaufend um die Drehachse. Auf diese Weise kann eine reibungsarme und stoßarme Rotation des Verdichterrades ge währleistet werden, da sich ein möglicher Führungseffekt des Verdichterrades durch die umlaufenden Kanten bei einer Rotation ergibt. Weiterhin kann der Vor teil erzielt werden, dass das Risiko eines Verkantens und/oder Verkippens des Verdichterrades reduziert wird. Ein weitere Vorteil der um die Drehachse umlau fenden Kanten und der Gegenfläche ist, dass eine gute Kapselung der Bereiche der Seitenkanäle und/oder des innenliegenden Bereichs und/oder des außenlie genden Bereichs voneinander erzielt werden kann. Dadurch lässt sich die Le bensdauer des Seitenkanalverdichters erhöhen, während die Ausfallwahrschein lichkeit des gesamten Brennstoffzellensystems reduziert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kanten im Trennungsbereich umlaufend um die Drehachse in einem ersten Durchmesserbereich und/oder ei nem zweiten Durchmesserbereich am Gehäuse ausgebildet. Dabei sind die Spit zen der Kanten axial zur Drehachse zur Gegenfläche am Verdichterrad ausge richtet, wobei der erste Durchmesserbereich die Seitenkanäle an Ihrem Innen durchmesser radial zur Drehachse begrenzt und der zweite Durchmesserbereich die Seitenkanäle an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse begrenzt. Auf diese Weise kann kostengünstig eine erfindungsgemäße Flächenpaarung re alisiert werden mittels derer verhindert werden kann, dass sich zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse, insbesondere im Trennungsbereich, flüssiges Wasser sammeln kann, wodurch sichergestellt wird, dass sich keine Eisbrücken im Trennungsbereich bei niedrigen Temperaturen ausbilden. Die Realisierung ist kostengünstig, da die umlaufenden Kanten und oder umlaufenden Spitzen derart direkt im Gehäuse eingebracht werden können,
dass diese Kontur durch Bearbeitung, insbesondere Abtragung der schon vor handenen plan verlaufende Oberfläche im Gehäuse erfolgen kann. Dabei verläuft die Oberfläche radial zur Drehachse und eine Bearbeitung ist nur im Trennungs bereich notwendig. Weiterhin können vorhandene Gehäuse genutzt werden und es ist nur ein Bearbeitungsschritt der Abtragung erforderlich. Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Kaltstartfähigkeit des Seitenkanalverdichters verbessert wer- den kann, während nur geringe Fertigungsmehrkosten entstehen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind die Kanten im Tren nungsbereich umlaufend um die Drehachse in einem dritten Durchmesserbereich und/oder einem vierten Durchmesserbereich am Verdichterrad ausgebildet. Da bei sind die Spitzen der Kanten axial zur Drehachse zur Gegenfläche im Ge häuse ausgerichtet und der dritte Durchmesserbereich begrenzt die Förderzelle an Ihrem Innendurchmesser radial zur Drehachse. Weitherhin begrenzt der vierte Durchmesserbereich die Förderzelle an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse. Auf diese Weise kann auf eine kostengünstige Weise eine erfin dungsgemäße Flächenpaarung realisiert werden, mittels derer verhindert wird, dass sich zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse, insbesondere im Trennungsbereich, flüssiges Wasser sammelt, wodurch sichergestellt wird, dass sich keine Eisbrücken im Trennungsbereich bei niedrigen Temperaturen ausbil den. Die Realisierung ist kostengünstig, da die umlaufenden Kanten und/oder umlaufenden Spitzen nur am Verdichterrad im Trennungsbereich und somit im Bereich des dritten und vierten Durchmesserbereich auf und/oder in das Verdich terrad aufgebracht und/oder eingebracht werden müssen. Das Gehäuse kann im Bereich der Gegenfläche unbearbeitet bleiben oder ein alternativ kann eine kos tengünstiges Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit eingesetzt werden. Für das Aufbringen und/oder Einbringen der Kanten und/oder Spitzen am Verdichterrad kann beispielsweise in einem Arbeitsschritt mittels des Verfah rens Verdrängungswalzen die ensprechende Kontur am Verdichterrad erzeugt werden, ohne dass ein Materialabtrag oder ein Materialauftrag notwendig ist. Diese bietet den Vorteil, dass keine Änderungen an der schon vorhandenen kon struktiven Ausprägung des Verdichterrads notwendig sind. Des Weiteren ist nur ein Bearbeitungsschritt erforderlich und somit kann eine kostengünstige Realisie rung der besonders vorteilhaften Weiterbildung Einfrierschutz erfolgen. Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Kaltstartfähigkeit des Seitenkanalverdichters ver- bessert werden kann, während nur geringe Fertigungsmehrkosten entstehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kanten im Trennungsbereich umlaufend um die Drehachse in dem ersten Durchmesserbereich und/oder in dem zweiten Durchmesserbereich am Gehäuse ausgebildet. Dabei sind die Spit zen der Kanten radial zur Drehachse zur Gegenfläche am Verdichterrad ausge richtet und dabei erstreckt sich der erste Durchmesserbereich radial zur Dreh achse vom Innendurchmesser der Förderzelle bis zur Nabenscheibe des Ver dichterrads. Weiterhin erstreckt sich der zweite Durchmesserbereich radial zur Drehachse vom Außendurchmesser der Förderzelle bis zum Außendurchmesser des außenliegenden gekapselten Bereichs im Gehäuse. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kompakte Bauweise trotz des Einbringens der Kanten mit den Spitzen im Gehäuse und im Trennungsbereich erzielt werden kann, während ein zuverlässiges Abfließen des flüssigen Wassers, insbesondere radial zur Drehachse, eine Eisbrückenbildung verhindert. Vorteilhaft ist dabei, dass eine verbesserte Kaltstartfähigkeit und eine höhere Zuverlässigkeit des Sei- tenkanalverdichter im Brennstoffzellensystems und/oder im Fahrzeug sicherge- stellt werden kann, während trotz der vorteilhaften Funktion Einfrierschutz des Verdichterrads kein zusätzlicher Bauraum im Gehäuse benötigt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Kanten im Trennungsbereich umlaufend um die Drehachse im dritten Durchmesserbereich und/oder im vierten Durchmesserbereich am Verdichterrad ausgebildet sind, wobei die Spitzen der Kanten radial zur Drehachse zur Gegenfläche am Gehäuse ausgerichtet sind. Dabei begrenzt der dritte Durchmesserbereich die Förderzelle an Ihrem Innen durchmesser radial zur Drehachse und der vierte Durchmesserbereich begrenzt die Förderzelle an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass dass eine kompakte Bauweise trotz des Einbringens der Kanten mit den Spitzen am Verdichterrad im Trennungsbe reich erzielt werden kann, während ein zuverlässiges Abfließen des flüssigen Wassers, insbesondere radial zur Drehachse, eine Eisbrückenbildung verhindert. Weiterhin kann das Aufbringen und/oder Einbringen der Kanten und/oder Spitzen am Verdichterrad in nur einem Arbeitsschritt erfolgen. Dabei kann das kosten günstige und schnelle Verfahren Walzen, insbesondere Ringwalzen und/oder Querwalzen, verwendet werden um die ensprechende Kontur der Kanten mit den Spitzen zu erzeugen. Somit können die Fertigungskosten für den Seitenkanalver dichter gering gehalten werden, während die Kaltstartfähigkeit verbessert wird, was zu einer höheren Lebensdauer des Seitenkanalverdichters und des Brenn- stoffzellensystems auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen und langen Still- standszeiten des Brennstoffzellensystems.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verdichterrad in dem ersten Durchmesserbereich und/oder dem zweiten Durchmesserbereich die umlaufende Gegenfläche auf, wobei die Gegenfläche in Richtung der Drehachse einen linearen und zur Drehachse abgewinkelten, insbesondere umlaufend ke gelförmigen, Verlauf aufweist. Dabei ist der Verlauf der Gegenfläche insbeson dere symmetrisch von einer Symmetriachse weg in zwei Richtungen der Dreh achse gerichtet und dabei sind die Spitzen der Kanten am Gehäuse orthogonal zur Gegenfläche zum Verdichterrad hin ausgerichtet. Des Weiteren begrenzt da bei der dritte Durchmesserbereich die Förderzelle an Ihrem Innendurchmesser radial zur Drehachse und der vierte Durchmesserbereich begrenzt die Förder zelle an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse. In einer weiteren bei spielhaften Ausführungsform weist das Gehäuse in dem ersten Durchmesserbe reich und/oder dem zweiten Durchmesserbereich die umlaufende Gegenfläche auf, wobei die Gegenfläche in Richtung der Drehachse mindestens einen linea ren und zur Drehachse abgewinkelten, insbesondere umlaufend kegelförmigen, Verlauf aufweist und wobei der Verlauf der Gegenfläche insbesondere symmet risch von der Symmetriachse weg in zwei Richtungen der Drehachse verläuft. Dabei sind die Spitzen der Kanten am Verdichterrad orthogonal zur Gegenfläche zum Gehäuse hin ausgerichtet und der erste Durchmesserbereich begrenzt die Seitenkanäle an Ihrem Innendurchmesser radial zur Drehachse. Des Weiteren begrenzt der zweite Durchmesserbereich die Seitenkanäle an Ihrem Außen durchmesser radial zur Drehachse. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt wer den, dass aufgrund des umlaufenden abgewinkelten Verlaufs eine verbesserte Abführung des flüssigen Wassers aus dem Trennungsbereich erfolgen kann. Da bei ist sichergestellt, dass auch bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Einbau lagen des Seitenkanalverdichters zumindest einer der beiden abgewinkelten Ver läufe im Trennungsbereiche eine optimale Abführung des flüssigen Wasser er möglicht, da sich zumindest ein Trennungsbereich gut zur Wirkrichtung der Schwerkraft ausgerichtet ist, wodurch die Abführung des flüssigen Wasser aus den Trennungsbereichen weiter verbessert wird. Ein weitere Vorteil des zur Drehachse abgewinkelten Verlaufs der Gegenfläche und der Fläche mit den Kan ten und Spitzen ist der, dass bei einer Rotation des Verdichterrades aufgrund der Fliehkraft des Mediums, insbesondere flüssiges Wasser, eine verbesserte Abfüh rung aus dem Trennungsbereich erzielt werden kann. Somit befindet sich bei ei nem Abschalten des Seitenkanalverdichters kein oder nur ein geringer Anteil an flüssigem Wasser im Trennungsbereich. Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Kaltstartfähigkeit des Seitenkanalverdichters verbessert und die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters verbessert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse einen Unterbre cher-Bereich zwischen der Gas- Einlassöffnung und der Gas-Auslassöffnung auf, wobei der Unterbrecher-Bereich mehrere hintereinander angeordnete bogenför mige Vorsprünge aufweist. Dabei verlaufen die bogenförmigen Vorsprünge trep penförmig in einer Strömungsrichtung oder treppenförmig entgegen der Strö mungsrichtung, wobei die Enden der Vorsprünge in Richtung der Symmetrie achse von der Mitte des Seitenkanals zum jeweiligen ersten oder zweiten Durch messerbereich hin in Strömungsrichtung vorauseilend oder nacheilend verlaufen. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine Effektive Trennung eine Trennung einer Druckseite, insbesondere im Bereich der Gas-Auslassöff- nung, und einer Saugseite, insbesondere im Bereich der Gas- Einlassöffnung be wirkt. Diese Trennung ist notwendig, damit eine effektive Förderung des gasför migen Mediums im Brennstoffzellensystem gewährleistet werden kann und ver hindert wird, dass ein Rückfluss und/oder Druckabbau des gasförmigen Mediums von der Druckseite zur Saugseite über den Trennungsbereich erfolgt. Durch die mehreren hintereinander angeordneten bogenförmigen Vorsprünge im Unterbre cher-Bereich kann sichergestellt werden, dass sich der Differenzdruck zwischen der Druckseite und der Einlassseite immer weiter abbaut. Weiterhin vorteilhaft ist dabei, dass die Vorsprünge treppenförmig verlaufen, wobei Ihre Enden vorausei lend oder nacheilend verlaufend, wodurch eine gleichmässiger Abbauf des Diffe renzdrucks einstellt und sich keine negativen Effekte aufgrund eines Strömungs abrisses einstellen können. Dadurch lassen sich die Druckverluste im Unterbre- eher- Bereich reduzieren und der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters stei gern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Gehäuse im zweiten Durch messerbereich eine um die Drehachse umlaufende Nut auf. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass sich die schweren Bestandteilen, bei denen es sich insbesondere um flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf und/oder Stickstoff handelt, aus dem Bereich der Förderzelle und/oder den Seitenkanälen in die umlaufende Nut abgeführt werden können. Die Abführung des schweren Bestandteils oder der schweren Bestandteile erfolgt dabei über die durch die Ro- tation des Verdichterrades auf das gasförmige Medium ausgeübte Fliehkraft. Da bei werden die schweren Bestandteile aus dem Bereich der Seitenkanäle und/o der aus dem Bereich der Förderzelle in einer Abführrichtung von der Drehachse weg oder in Richtung der Drehachse durch den Trennungsbereich, insbesondere zwischen dem Gehäuse und Verdichterrad, hindurch zur Nut bewegt. In einer weiteren beispielhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Nut eine Abführ bohrung auf durch die die schweren Bestandteile aus dem Gehäuse heraus ab geleitet werden können. Dadurch werden die schweren Bestandteile aus dem Bereich des mindestens einen Seitenkanals und/oder der Förderzelle herausge führt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrie ben.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seiten kanalverdichters,
Figur 2 einen in Figur 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalver dichters in vergrößerter Darstellung,
Figur 3 einen in Figur 1 mit II bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdich ters in vergrößerter Darstellung,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht des Seitenkanalverdichters mit ei nem Trennungsbereich gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 5 eine schematische Schnittansicht des Seitenkanalverdichters mit dem
Trennungsbereich gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Er- findung.
Figur 6 eine schematische Schnittansicht des Seitenkanalverdichters mit dem
Trennungsbereich gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Er- findung.
Figur 7 eine schematische Schnittansicht des Seitenkanalverdichters mit dem
Trennungsbereich gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Er- findung. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein schematische Schnittansicht eines erfin dungsgemäßen Seitenkanalverdichters 1.
Der Seitenkanalverdichter 1 weist dabei ein Verdichterrad 2 auf, das um eine ho rizontal verlaufenden Drehachse 4 drehbar in einem Gehäuse 3 gelagert ist. Da bei dient ein Antrieb 6, insbesondere ein elektrischer Antrieb 6, als Drehantrieb 6 des Verdichterrades 2. Das Verdichterrad 2 ist drehfest auf einer Antriebswelle 9 angeordnet und ist insbesondere mittels eines Pressverbands mit der Antriebs welle 9 verbunden ist. Das Verdichterrad 2 weist eine innere Verdichterrad-Nabe 10 auf, wobei die Verdichterrad-Nabe 10 eine Aussparung aufweist, durch die die Antriebswelle 9 gesteckt ist. Die Verdichterrad-Nabe 10 ist zudem umlaufend auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite durch einen Naben- Fuß 12 begrenzt. Vom Naben- Fuß 12 nach außen von der Drehachse 4 weg bildet das Verdichter rad 2 eine umlaufende kreisförmige Naben-Scheibe 13 aus, wobei das Verdich terrad 2 zudem eine außenseitig an die Naben-Scheibe 13 anschliessende För derzelle 28 ausbildet. Dabei verläuft eine Vielzahl an Förderzellen 28 umlaufend um die Drehachse 4 in einem umlaufenden Verdichterraum 30 des Gehäuses 3 im Verdichterrad 2.
Des Weiteren weist das Gehäuse 3 im Bereich des Verdichterraums 30 einen ersten umlaufende Seitenkanal 19 und/oder einen zweiten umlaufenden Seiten kanal 21 auf. Dabei verlaufen die Seitenkanäle 19, 21 derart im Gehäuse 3 in Richtung der Drehachse 4, dass diese axial zur Förderzelle 28 beidseitig verlau fen. Die Seitenkanäle 19, 21 können dabei zumindest in einem Teilbereich des Gehäuses 3 umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen, wobei in dem Teilbereich, in dem die Seitenkanäle 19, 21 im Gehäuse 3 nicht ausgebildet ist, ein Unterbre cher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist, wobei der Unterbrecher-Bereich 15 bogenförmige Vorsprünge 17 aufweist.
Die Antriebswelle 9 ist mit einem Ende axial zur Drehachse 4 zumindest karda- nisch mit dem Antrieb 6 verbunden. Dabei befindet sich ein Lager 27 am Außen durchmesser der Antriebswelle 9 axial im Bereich zwischen dem Antrieb 6 und dem Verdichterrad 2, insbesondere zwischen dem Antrieb 6 und dem Naben- Fuß 12 des Verdichterrads 2. Die Antriebswelle 9 bildet einen Lager-Zapfen 36 axial zur Drehachse 4 auf Ihrer dem Antrieb 6 abgewandten Seite aus, wobei sich im Bereich des Lager-Zapfens 36 ein weiteres Lager 27 befindet. Bei den Lagern 27 kann es sich um Wälzlager 27 handeln, insbesondere um Kugellager 27.
Weiterhin bildet das Gehäuse 3 eine Gas-Einlassöffnung 14 und eine Gas-Aus- lassöffnung 16 aus. Dabei sind die Gas- Einlassöffnung 14 und die Gas-Auslass- öffnung 16, insbesondere über den mindestens einen Seitenkanal 19, 21 flui- disch miteinander verbunden.
Vom Antrieb 6 wird ein Drehmoment über die Verdichterrad-Nabe 10 auf das Verdichterrad 2 übertragen. Dabei wird das Verdichterrad 2 in Rotationsbewe gung versetzt und die Förderzelle 28 bewegt sich in einer Rotationsbewegung umlaufend um die Drehachse 4 durch den Verdichterraum 30 im Gehäuse 3 in Richtung einer Strömungsrichtung 47 (siehe Fig. 2). Dabei wird ein schon im Verdichterraum 30 befindliches gasförmiges Medium durch die Förderzelle 28 mitbewegt und dabei gefördert und/oder verdichtet. Zudem findet eine Bewegung des gasförmigen Mediums, insbesondere ein Strömungsaustausch, zwischen der Förderzelle 28 und dem mindestens einen Seitenkanal 19, 21 statt. Dabei ist es für die Förderwirkung entscheidend, dass sich im Betrieb eine Zirkulationsströ mung 26 innerhalb des jeweiligen Seitenkanals 19, 21 ausbilden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Seitenkanäle 19, 21 mittels der Flächenpaarungen in einem Trennungsbereich 35 pneumatisch voneinander getrennt sind. Dies wird in der Regel durch ein möglichst geringes Spiel zwischen den erwähnten Flächen paarungen erzielt. Des Weiteren strömt das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein unverbrauchtes Rezirkulationsmedium aus einer Brenn stoffzelle 39 handelt, über die Gas- Einlassöffnung 14 in den Verdichterraum 30 des Seitenkanalverdichters 1 ein und/oder wird dem Seitenkanalverdichter 1 zu geführt und/oder wird aus dem Bereich, der der Gas- Einlassöffnung 14 vorgela gert ist, angesaugt. Dabei wird das gasförmige Medium nach erfolgtem Durchlauf durch die Gas-Auslassöffnung 16 des Seitenkanalverdichters 1 abgeleitet und strömt in ein Brennstoffzellensystem 37. Des Weiteren ist eine Symetrieachse 48 gezeigt, die orthogonal zur Drehachse 4 und symetrisch mittig durch die Schnitt geometrie des Verdichterrads 2 verläuft. Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass im Verdichterraum 30 des Gehäuses 3 mindestens eine um die Drehachse 4 umlaufende Kante 5 angeordnet ist, wobei die umlaufende Kante 5 insbesondere im Trennungsbereich 35 zwischen dem Gehäuse 3 und dem Verdichterrad 2 angeordnet ist. Dabei ist der Trennungsbe reich 35 derart durch eine Flächenpaarung der Bauteile Verdichterrad 2 und Ge häuse 3 ausgebildet, dass das jeweils eine Bauteil mindestens eine umlaufende Kante 5, insbesondere mit jeweils einer umlaufenden Spitze 11, aufweist und das jeweils andere Bauteil eine umlaufende zumindest annähernd ebene Gegenflä che 23 aufweist. Mittels des Trennungsbereichs 35 kann eine Kapselung der För derzelle 28 und/oder des jeweiligen Seitenkanals 19, 21 voneinander und/oder den jeweiligen Seitenkanal 19, 21 von einem bezüglich der Drehachse 4 radial innenliegenden Bereich 50 und/oder einem bezüglich der Drehachse 4 radial au ßenliegenden Bereich 52 des Gehäuses 3 kapselt. In bestimmten Betriebssitua tion des Seitenkanalverdichters 1 kann ein zumindest teilweises und geringfügi ges Hindurchbewegen des gasförmigen Mediums vom Seitenkanalv 19, 21 in den außenliegenden Bereich 52 zumindest zeitweise erfolgen. Die Kanten 5 sind dabei im Trennungsbereich 35 umlaufend um die Drehachse 4 in einem ersten Durchmesserbereich 20 und/oder einem zweiten Durchmesserbereich 22 am Ge häuse 3 ausgebildet. Dabei sind die Spitzen 11 der Kanten 5 axial zur Drehachse 4 zur Gegenfläche 23 am Verdichterrad 2 ausgerichtet und der erste Durchmes serbereich 20 begrenzt die Seitenkanäle 19, 21 an Ihrem Innendurchmesser ra dial zur Drehachse 4 und der zweite Durchmesserbereich 22 begrenzt die Sei tenkanäle 19, 21 an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse 4. Durch die Kapselung wird zudem verhindert, dass das gasförmige Medium aus dem Be reich der Förderzelle 28 und/oder den Seitenkanälen 19, 21 in den innenliegen den Bereich 50 und/oder den außenliegenden Bereich 52 des Seitenkanalver dichters 1 Vordringen kann. Dadurch wird weiterhin verhindert, dass die Bauteile Antrieb 6 und/oder Lager 27 und/oder Antriebswelle 9, die sich im innenliegen den Bereich 50 befinden, beschädigt werden. Im Falle des elektrischen Antriebs 6 kann eine Eindringen des schweren Bestandsteils Wasser oder von Wasser stoff zu einem Kurzschluss führen und/oder zu einer Schädigung der elektrische oder weichmagnetischen Bauteile des Antriebs 6 führen. Dies kann den Betrieb des gesamten Seitenkanalverdichters 1 einschränken und sogar zu einem Aus fall führen. Fig. 2 zeigt einen in Fig. 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdich ters 1 in vergrößerter Darstellung bei dem das Gehäuse 3, die Gas- Einlassöff nung 14, die Gas-Auslassöffnung 16, die Symetrieachse 48, der Unterbrecher- Bereich 15, der Seitenkanal 19, und die Strömungsrichtung 47 des Mediums dar gestellt sind.
Wie in Fig. 2 dargestellt befindet sich der Unterbrecher-Bereich 15 umlaufend um die Drehachse 4 im Gehäuse 3 insbesondere zwischen der Gas- Einlassöffnung
14 und der Gas-Auslassöffnung 16. Das gasförmige Medium wird durch das Ver dichterrad 2 gefördert und/oder strömt dabei von der Gas-Einlassöffnung 14 zur Gas-Auslassöffnung 16 und durchströmt dabei, zumindest teilweise, den Seiten kanälen 19, 21. Dabei erhöht sich mit fortschreitendem Umlauf von der Gas-Ein lassöffnung 14 zur Gas-Auslassöffnung 16 in Strömungsrichtung 47 die Verdich tung und/oder der Druck und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmi gen Mediums in der Förderzelle 28, insbesondere in der Förderzelle 28 des Ver dichterrades 2 und in den Seitenkanälen 19, 21. Durch den Unterbrecher-Bereich
15 wird eine Trennung einer Druckseite und einer Saugseite bewirkt, wobei sich die Saugseite im Bereich der Gas- Einlassöffnung 14 befindet und die Druckseite im Bereich der Gas-Auslassöffnung 16 befindet. Dabei ist gezeigt, dass der Un terbrecher-Bereich 15 zwischen der Gas- Einlassöffnung 14 und der Gas-Aus- lassöffnung mehrere hintereinander angeordnete bogenförmige Vorsprünge 17 aufweist. Die bogenförmigen Vorsprünge 17 können dabei treppenförmig in der Strömungsrichtung 47 oder treppenförmig entgegen der Strömungsrichtung 47 verlaufen. In Fig. 2 ist dabei eine erste Ausführungsform dargestellt, bei der die Enden der Vorsprünge 17 in Richtung der Symmetrieachse 48 von der Mitte des Seitenkanals 19 zum jeweiligen ersten oder zweiten Durchmesserbereich 20, 22 hin in Strömungsrichtung 47 vorauseilend verlaufen. In einer weiteren Ausfüh rungsform ist es auch möglich, dass die Vorsprünge 17 in Richtung der Symmet rieachse 48 von der Mitte des Seitenkanals 19 zum jeweiligen ersten oder zwei ten Durchmesserbereich 20, 22 hin in Strömungsrichtung 47 nacheilend verlau fen. Eine derartige Anordnung und Ausführung der Vorsprünge 17 bietet den Vorteil, dass eine effektive Trennung zwischen der Saugseite und der Druckseite über den Unterbrecher-Bereich 15 erfolgen kann. Diese Trennung ist notwendig, damit eine effektive Förderung des gasförmigen Mediums im Brennstoffzellen system 37 gewährleistet werden kann und kein Rückfluss und/oder Druckabbau des gasförmigen Mediums von der Druckseite zur Saugseite über den Unterbre cher-Bereich 15 erfolgt. Dabei wird der Druck stufenweise über die hintereinan der angeordneten bogenförmigen Vorsprünge 17 im Unterbrecher-Bereich 15 ab gebaut, so dass sich der Differenzdruck zwischen der Druckseite und der Ein lassseite immer weiter abbaut. Weiterhin vorteilhaft ist dabei, dass die bogenför migen Vorsprünge 17 treppenförmig verlaufen, wobei Ihre Enden vorauseilend oder nacheilend verlaufend, wodurch eine gleichmässiger Abbauf des Differenz drucks einstellt und sich keine negativen Effekte aufgrund eines Strömungsabris ses einstellen können. Dadurch lassen sich die Druckverluste im Unterbrecher- Bereich 15 reduzieren und der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters 1 stei gern.
Weiterhin ist dargestellt, dass das Gehäuse 3 jeweils mindestens eine umlaufende Kante 5 im ersten Durchmesserbereich 20 und im zweiten Durch messerbereich 22 aufweist. Wie in Fig. 2 dargestellt begrenzt der erste Durch messerbereich 20 dabei den ersten Seitenkanal 19 und/oder den zweiten Seiten kanal 21 am Innendurchmesser, während der zweite Durchmesserbereich 22 da bei den ersten Seitenkanal 19 und/oder den zweiten Seitenkanal 21 am Außen durchmesser begrenzt.
Fig. 3 zeigt einen in Fig. 1 mit II bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdichters 1 in vergrößerter Darstellung. Dabei ist der Trennungsbereich 35 gezeigt, der durch eine Flächenpaarung der Bauteile Verdichterrad 2 und Gehäuse 3 ausge bildet wird. Eines der beiden Bauteile bildet dabei die Gegenfläche 23 aus, wäh rend das jeweils andere Bauteil die um die Drehachse 4 umlaufenden Kanten 5 ausbildet, wobei die Kanten auf der Gegenfläche 23 zugewandten Seite die Spit zen 11 ausbildet. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausbildung des Tren nungsbereichs 35 ist, dass zum einen eine Anlagerung von flüssigem Wasser verhindert oder zumindest erschwert wird, insbesondere im Vergleich zum Tren nungsbereich 35 mit einer Flächenpaarung aus zwei zumindest annähernd ebe nen Gegenflächen 23. Dies ist dadurch begründet, dass das flüssige Wasser bei einer Anlagerung zwischen im Trennungsbereich 35 zwischen den Kanten 5 und der Gegenfläche 23 eine große Oberfläche ausbilden muss, um den Raum zwi schen den Kanten 5 und der Gegenfläche 23 auszufüllen. Dies gilt insbesondere bei einem geringen Abstandes zwischen den Kanten 5 und der Gegenfläche 23, wobei ein geringer Abstand zwecks kapselnder Wirkung angestrebt werden sollte und es werden speziell bei der Beförderung von Wasserstoff die funktions relevanten Spalte zwischen Laufrad und Gehäuse sehr klein dimensioniert.
Aufgrund der Oberflächenspannung von flüssigem Wasser findet jedoch immer ein physikalisches Bestreben statt die Oberflächenenergie zu verringern, also die offenen Bindungen auf Molkül-Ebene auf der gesamten Oberfläche des flüssigen Wassers abzusättigen. Dabei strebt das flüssige Wasser einen Zustand mit einer möglichst kleinen Oberfläche an. Für ein Wassermolekül ist es energetisch güns- tiger, sich im Innern einer Wasserportion zu befinden, da sich hier die Anzie- hungskräfte gegenseitig aufheben. Eine Wasserportion wird daher immer eine möglichst kleine Oberfläche ausbilden, damit möglichst wenige Wassermoleküle an der Oberfläche liegen müssen. Dieser physikalische Effekt bei flüssigem Was- ser sorgt dafür, dass ein direktes Abfliessen aus dem Trennungsbereich 35, inbe sondere aus dem Bereich zwischen den Kanten 5 und der Gegenfläche 23 er folgt, da die auszubildenden Oberfläche des flüssigen Wassers hier besonders groß ist, um den Zwischenraum zu füllen. Die entstehende Kraft ist hierbei so groß wie die Oberflächenspannung des Wassers und der Energieniveau-Ände rung zwischen einer großen Oberflächenform des flüssigen Wassers im Tren nungsbereich 35 im Vergleich zu einer idealerweise ausgebildeten Tropfenform und/oder Kugelform. Dieser Effekt ist besonders groß bei flüssigem Wasser, ins besondere im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten, da die Größe der Oberflä- chenspannung im Wesentlichen von der Stärke der Anziehungskräfte zwischen den Flüssigkeitsmolekülen abhängt. Wasser hat infolge der hohen Polarität der Wassermoleküle und der dadurch bedingten starken Wasserstoffbrückenbindun- gen eine sehr große Oberflächenspannung. Dadurch wirkt die Oberfläche zwi- schen Wasser und Luft wie eine gespannte, elastische Haut. Somit kann ein ef- fektives Herausbewegen des flüssigem Wassers aus dem Trennungsbereich 35 bewirkt werden, auch wenn keine zusätzlich unterstützenden Effekte, wie bei- spielsweise ein Schwerkkrafteffekt und/oder Fliehkrafteffekt auf das flüssige Wasser wirken.
Die Anordnung der Kanten 5 und der Gegenfläche 23 zueinander, und insbeson dere zur Drehachse 4, wird in weiteren Ausführungsbeispielen in den Fig. 4 bis Fig. 7 dargestellt. Dabei ist die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Viel mehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht des Seitenkanalverdichters 1 mit dem Trennungsbereich 35 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung. Dabei ist gezeigt, dass die Kanten 5 im Trennungsbereich 35 umlaufend um die Drehachse 4 in dem ersten Durchmesserbereich 20 und/oder in dem zweiten Durchmesserbereich 22 am Gehäuse 3 ausgebildet sind, wobei die Spit zen 11 der Kanten 5 radial zur Drehachse 4 zur Gegenfläche 23 am Verdichter rad 2 ausgerichtet sind und wobei sich der erste Durchmesserbereich 20 radial zur Drehachse 4 vom Innendurchmesser der Förderzelle 28 bis zur Naben scheibe 13 des Verdichterrads 2 erstreckt, während sich der zweite Durchmes serbereich 22 radial zur Drehachse 4 vom Außendurchmesser 22 der Förderzelle 28 bis zum Außendurchmesser des außenliegenden gekapselten Bereichs 52 im Gehäuse 3 erstreckt. Weiterhin ist gezeigt, dass das Gehäuse 3 im zweiten Durchmesserbereich 22 eine um die Drehachse 4 umlaufende Nut 46 aufweist. Die Nut 46 kann dabei zum Sammeln von flüssigem Wasser dienen, die sich nicht durch den Effekt der Oberflächenspannung aus dem Trennungsbereich 35 zurück in einen der Seitenkanäle 19, 21 ableiten lassen, beispielsweise aufgrund von Druck oder Fliehkräften. Somit kann das flüssige Wasser in diesem Fall aus dem Trennungsbereich 35 in den Bereich der Nut 46 geleitet werden, von wo es insbesondere mittels eines zusätzlichen Verbindungskanals in einen Bereich ausserhalb des Seitenkanalverdichters 1 geleitet wird. In einer weiteren Ausfüh rungsform kann die Nut 46 zum sammeln von schweren Bestandteilen, insbeson dere Stickstoff, aus dem Bereich der Seitenkanäle 19,21 genutzt werden. Durch einen geringen Abstand zwischen den um die Drehachse 4 umlaufenden Kanten 5 mit Spitzen 11 und der Gegenfläche 23, insbesondere im ersten Durchmesser bereich 20, wird eine zuverlässige Kapselung der Seitenkanäle 19,21 vom innen liegenden Bereich 50 gewährleistet. In einer weiteren nicht in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform kann der Seitenkanalverdichter 1 die Kanten 5 am Verdichter rad 2 ausbilden, während die Gegenfläche 23 am Gehäuse 3 ausgebildet ist. Da bei sind die Kanten 5 im Trennungsbereich 35 umlaufend um die Drehachse 4 in dem ersten Durchmesserbereich 20 und/oder in dem zweiten Durchmesserbe- reich 22 am Verdichterrad 2 ausgebildet, wobei die Spitzen 11 der Kanten 5 ra dial zur Drehachse 4 zur Gegenfläche 23 am Gehäuse 3 ausgerichtet sind und wobei der ersten Durchmesserbereich 20 die Förderzelle 28 an Ihrem Innen durchmesser radial zur Drehachse 4 begrenzt und der zweite Durchmesserbe reich 22 die Förderzelle 28 an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse 4 begrenzt.
Fig. 5 zeigt, dass das Verdichterrad 2 in einem dritten Durchmesserbereich 38 und einem vierten Durchmesserbereich 40 die umlaufende Gegenfläche 23 auf weist, wobei die Gegenfläche 23 in Richtung der Drehachse 4 einen linearen und zur Drehachse 4 abgewinkelten, insbesondere umlaufend kegelförmigen, Verlauf aufweist, wobei der Verlauf der Gegenfläche 23 insbesondere symmetrisch von einer Symmetriachse 48 weg in zwei Richtungen der Drehachse 4 verläuft und wobei die Spitzen 11 der Kanten 5 am Gehäuse 3 orthogonal zur Gegenfläche 23 zum Verdichterrad 2 hin ausgerichtet sind und wobei der dritte Durchmesser bereich 38 die Förderzelle 28 an Ihrem Innendurchmesser radial zur Drehachse 4 begrenzt und der vierte Durchmesserbereich 40 die Förderzelle 28 an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse 4 begrenzt. Durch diese kegelförmigen Verlauf der Flächenpaarungen des Seitenkanalverdichters 1 mit dem umlaufen den abgewinkelten Verlaufs kann eine bessere Ableitung des flüssigen Wassers aus dem Trennungsbereich 35 erfolgen, da einer der beiden abgewinkelten Ge genflächen 23 eine optimale Abführung des flüssigen Wasser ermöglicht, da zu mindest eine der beiden abgewinkelten Gegenflächen 23 gut zur Wirkrichtung der Schwerkraft ausgerichtet ist. Dadurch kann das flüssige Wasser leichter aus diesem funktionsrelevanten Bereich abfließen, wobei zum einen ein Abfließen, insbesondere des flüssigen Wassers, im dritten Durchmesserbereich 38 vom Trennungsbreich 35 zum jeweiligen Seitenkanal 19, 21 aufgrund der von der Drehachse 4 radial weg verlaufenden Fliehkräfte erfolgt, insbesondere aufgrund der durch die Rotationsbewegung des Verdichterrads 2 auf das gasförmige Me dium und/oder flüssige Wasser bewirkten Fliehkräfte. Damit wird ein Eindringen vom gasförmige Medium und/oder flüssigem Wasser in den innenliegenden Be reich 50 verhindert. Zum anderen wird insbesondere ein Abfließen, insbesondere des flüssigen Wassers, im vierten Durchmesserbereich 40 vom Trennungsbreich 35 zur (in Fig. 5 nicht explizit dargestellten) umlaufenden Nut 46 augfrund der von der Drehachse 4 radial weg verlaufenden Fliehkräfte sichergestellt, insbe sondere aufgrund der durch die Rotationsbewegung des Verdichterrads 2 auf das gasförmige Medium und/oder flüssige Wasser bewirkten Fliehkräfte. Es kann auch eine saugende Wirkung auf das flüssige Wasser im Trennungsbereich 35 erfolgen, inbesondere im ersten Druchmesserbereich 20, wenn das sich im Sei tenkanal 19, 21 befindliche gasförmige Medium aus dem Grenzbereich des Tren nungsbereichs 35 aufgrund der Fliehkräfte wegfließt und dadurch das flüssige Wasser aus dem Trennungsbereich 35 abgesaugt wird.
In Fig. 6 wird dargestellt, dass das Gehäuse 3 in dem ersten Durchmesserbe reich 20 und/oder dem zweiten Durchmesserbereich 22 die umlaufende Gegen fläche 23 aufweist, wobei die Gegenfläche 23 in Richtung der Drehachse 4 min destens einen linearen und zur Drehachse 4 abgewinkelten, insbesondere um laufend kegelförmigen, Verlauf aufweist, wobei der Verlauf der Gegenfläche 23 insbesondere symmetrisch von der Symmetriachse 48 weg in zwei Richtungen der Drehachse 4 verläuft und wobei die Spitzen 11 der Kanten 5 am Verdichter rad 2 orthogonal zur Gegenfläche 23 zum Gehäuse 3 hin ausgerichtet sind und wobei der erste Durchmesserbereich 20 die Seitenkanäle 19, 21 an Ihrem Innen durchmesser radial zur Drehachse 4 begrenzt und der zweite Durchmesserbe reich 22 die Seitenkanäle 19, 21 an Ihrem Außendurchmesser radial zur Dreh achse 4 begrenzt. Der umlaufend kegelförmige Verlauf der Gegenfläche beinhal tet die gleichen Vorteile zum Abfließen des flüssigen Wassers aus dem Tren nungsbereich 35 aufgrund der Fliehkräfte, insbesondere dem Bereich der Kanten 5 und der Gegenfläche 23, die schon in Fig. 5 beschrieben sind.
In Fig. 7 ist gezeigt, dass die Kanten 5 im Trennungsbereich 35 umlaufend um die Drehachse 4 in dem dritten Durchmesserbereich 38 und/oder dem vierten Durchmesserbereich 40 am Verdichterrad 2 ausgebildet sind, wobei die Spitzen 11 der Kanten 5 axial zur Drehachse 4 zur Gegenfläche 23 im Gehäuse 3 ausge richtet sind und wobei der dritte Durchmesserbereich 38 die Förderzelle 28 an Ihrem Innendurchmesser radial zur Drehachse 4 begrenzt und der vierte Durch messerbereich 40 die Förderzelle 28 an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse 4 begrenzt. Die in Fig. 7 beschriebene Ausführungsbeispiel der An ordnung der Kanten 5 und der Gegenfläche 23 zueinander ist ähnlich dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel, wobei in Fig. 7 die Kanten 5 am Verdich terrad 2 und die Gegenfläche 23 am Gehäuse angeordnet ist, wobei dieses Aus führungsbeispiel die gleichen Vorteile bietet, wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beschrieben.

Claims

Ansprüche
1. Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (37) zur Förde rung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3), mit einem in dem Gehäuse (3) be findlichen Verdichterraum (30), der mindestens einen umlaufende Sei tenkanal (19, 21) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterrad (2), das drehbar um eine Drehachse (4) angeordnet ist, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich des Verdich terraums (30) angeordnete Förderzellen (28) aufweist, und mit jeweils einer am Gehäuse (3) ausgebildeten Gas- Einlassöffnung (14) und einer Gas-Auslassöffnung (16), die über den Verdichterraum (30), insbeson dere zwei Seitenkanäle (19, 21), fluidisch miteinander verbunden sind und wobei im Bereich des Verdichterraums (30) eine Kapselung des je weiligen Seitenkanals (19, 21) durch mindestens einen Trennungsbe reich (35) mittels einer Flächenpaarung des Verdichterrades (2) und des Gehäuses (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trennungsbereich (35) derart durch eine Flächenpaarung der Bau teile Verdichterrad (2) und Gehäuse (3) ausgebildet ist, dass das jeweils eine Bauteil umlaufende Kanten (5), insbesondere mit umlaufenden Spitzen (11), aufweist und das jeweils andere Bauteil eine umlaufende zumindest annähernd ebene Gegenfläche (23) aufweist.
2. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trennungsbereich (35) die Seitenkanäle (19, 21) voneinander und/oder den jeweiligen Seitenkanal (19, 21) von einem bezüglich der Drehachse (4) radial innenliegenden Bereich (50) und/oder einem bezüglich der Drehachse (4) radial außenliegenden Be reich (52) des Gehäuses (3) kapselt.
3. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (5) und die Gegenfläche (23) im jeweiligen Trennungsbereich (35) umlaufend um die Drehachse (4) verlaufen.
4. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (5) im Trennungsbereich (35) umlaufend um die Drehachse (4) in einem ersten Durchmesserbereich (20) und/oder einem zweiten Durchmesserbereich (22) am Gehäuse (3) ausgebildet sind, wobei die Spitzen (11) der Kanten (5) axial zur Drehachse (4) zur Gegenfläche (23) am Verdichterrad (2) ausgerichtet sind und wobei der erste Durchmesserbereich (20) die Seitenkanäle (19, 21) an Ihrem In nendurchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt und der zweite Durchmesserbereich (22) die Seitenkanäle (19, 21) an Ihrem Außen durchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt.
5. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (5) im Trennungsbereich (35) umlaufend um die Drehachse (4) in einem dritten Durchmesserbereich (38) und/oder einem vierten Durchmesserbereich (40) am Verdichterrad (2) ausgebil det sind, wobei die Spitzen (11) der Kanten (5) axial zur Drehachse (4) zur Gegenfläche (23) im Gehäuse (3) ausgerichtet sind und wobei der dritte Durchmesserbereich (38) die Förderzelle (28) an Ihrem Innen durchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt und der vierte Durch messerbereich (40) die Förderzelle (28) an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt.
6. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (5) im Trennungsbereich (35) umlaufend um die Drehachse (4) in einem ersten Durchmesserbereich (20) und/oder in einem zweiten Durchmesserbereich (22) am Gehäuse (3) ausgebildet sind, wobei die Spitzen (11) der Kanten (5) radial zur Drehachse (4) zur Gegenfläche (23) am Verdichterrad (2) ausgerichtet sind und wobei sich der erste Durchmesserbereich (20) radial zur Drehachse (4) vom Innen durchmesser der Förderzelle (28) bis zu einer Nabenscheibe (13) des Verdichterrads (2) erstreckt, während sich der zweite Durchmesserbe reich (22) radial zur Drehachse (4) vom Außendurchmesser (22) der Förderzelle (28) bis zum Außendurchmesser des außenliegenden ge kapselten Bereichs (52) im Gehäuse (3) erstreckt.
7. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (5) im Trennungsbereich (35) umlaufend um die Drehachse (4) in einem ersten Durchmesserbereich (20) und/oder in einem zweiten Durchmesserbereich (22) am Verdichterrad (2) ausgebil det sind, wobei die Spitzen (11) der Kanten (5) radial zur Drehachse (4) zur Gegenfläche (23) am Gehäuse (3) ausgerichtet sind und wobei der ersten Durchmesserbereich (20) die Förderzelle (28) an Ihrem Innen durchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt und der zweite Durch messerbereich (22) die Förderzelle (28) an Ihrem Außendurchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt.
8. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (2) in einem dritten Durchmesserbe reich (38) und/oder einem vierten Durchmesserbereich (40) die umlau fende Gegenfläche (23) aufweist, wobei die Gegenfläche (23) in Rich tung der Drehachse (4) einen linearen und zur Drehachse (4) abgewin kelten, insbesondere umlaufend kegelförmigen, Verlauf aufweist, wobei der Verlauf der Gegenfläche (23) insbesondere symmetrisch von einer Symmetriachse (48) weg in zwei Richtungen der Drehachse (4) verläuft und wobei die Spitzen (11) der Kanten (5) am Gehäuse (3) orthogonal zur Gegenfläche (23) zum Verdichterrad (2) hin ausgerichtet sind und wobei der dritte Durchmesserbereich (38) die Förderzelle (28) an Ihrem Innendurchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt und der vierte Durchmesserbereich (40) die Förderzelle (28) an Ihrem Außendurch messer radial zur Drehachse (4) begrenzt.
9. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) in einem ersten Durchmesserbereich (20) und/oder einem zweiten Durchmesserbereich (22) die umlaufende Gegenfläche (23) aufweist, wobei die Gegenfläche (23) in Richtung der Drehachse (4) mindestens einen linearen und zur Drehachse (4) abge winkelten, insbesondere umlaufend kegelförmigen, Verlauf aufweist, wo bei der Verlauf der Gegenfläche (23) insbesondere symmetrisch von ei ner Symmetriachse (48) weg in zwei Richtungen der Drehachse (4) ver läuft und wobei die Spitzen (11) der Kanten (5) am Verdichterrad (2) or thogonal zur Gegenfläche (23) zum Gehäuse (3) hin ausgerichtet sind und wobei der erste Durchmesserbereich (20) die Seitenkanäle (19, 21) an Ihrem Innendurchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt und der zweite Durchmesserbereich (22) die Seitenkanäle (19, 21) an Ihrem Au ßendurchmesser radial zur Drehachse (4) begrenzt.
10. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) einen Unterbrecher-Bereich (15) zwischen der Gas- Einlassöffnung (14) und der Gas- Auslassöffnung (16) aufweist, wobei der Unterbrecher-Bereich (15) mehrere hintereinander angeord nete bogenförmige Vorsprünge (17) aufweist.
11. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Vorsprünge (17) treppenförmig in einer Strömungsrichtung (47) oder treppenförmig entgegen der Strömungs richtung (47) verlaufen, wobei die Enden der Vorsprünge (17) in Rich tung einer Symmetrieachse (48) von der Mitte des Seitenkanals (19) zum jeweiligen ersten oder zweiten Durchmesserbereich (20, 22) hin in Strömungsrichtung (47) vorauseilend oder nacheilend verlaufen.
12. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) im zweiten Durch messerbereich (22) eine um die Drehachse (4) umlaufende Nut (46) auf weist.
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