WO2020104225A1 - Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder verdichtung von einem gasförmigen medium - Google Patents

Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder verdichtung von einem gasförmigen medium

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WO2020104225A1
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Michael Kurz
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a side channel compressor for a fuel cell system for the promotion and / or compression of a gaseous medium, in particular hydrogen, which is particularly intended for use in vehicles with a fuel cell drive.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the future.
  • Hydrogen gas flows must be controlled, particularly in vehicles with a fuel cell drive.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously, as in the injection of liquid fuel, but the gaseous medium is removed 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 gaseous medium to a fuel cell via a connecting line of a low pressure line system. After the gaseous medium has flowed through the fuel cell, it is returned to the ejector unit via a return line.
  • the side channel blower can be interposed, which supports the gas recirculation in terms of flow technology and efficiency.
  • side channel compressors are used to support the flow build-up in the fuel cell drive, especially when the vehicle is (cold) started after a certain idle time.
  • These side channel blowers are usually driven by electric motors which are supplied with voltage by the vehicle battery when operated 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 rotating compressor wheel in a housing, which is fastened on a drive shaft and is set in rotation by a drive and is thus arranged rotatably about an axis of rotation.
  • the side channel compressor has one Compressor space located in the housing, which has at least one umlau fenden side channel.
  • the compressor wheel has conveyor cells arranged on its circumference in the region of the compressor chamber.
  • a gas inlet opening and a gas outlet opening are each arranged in the housing and are fluidly connected to one another via the at least one side channel.
  • the housing has a first and a second end face facing the compressor wheel, each of which extends radially to the axis of rotation. In these areas, an inner and an outer axial gap are formed between the housing and the compressor wheel.
  • the side channel blower known from DE 10 2007 053 016 A1 can have certain disadvantages.
  • the manufacturing costs of the compressor wheel can be correspondingly high.
  • the high manufacturing costs are made up as follows: high raw material costs of the casting material and / or high energy costs in the production, in particular in a casting process, of the compression wheel as a casting and / or high processing costs in the reworking of the compressor wheel, for example machining and / or grinding post-processing.
  • a side channel compressor is designed in such a way that a compressor wheel is constructed in several parts and has a first impeller shell and a second impeller shell, these being arranged in particular axially to one another along an axis of rotation and each being at least partially made of a plastic.
  • the material costs, in particular the raw material costs, for the compressor wheel and / or the impeller shells, which at least partially or at least almost completely consist of at least one plastic, are lower than the material costs, in particular the raw material costs of the compressor wheel made of a cast material.
  • the compressor wheel has at least one intermediate element in addition to the impeller shells, the intermediate element being located between the first impeller shell and the second impeller shell.
  • the intermediate element may be out as a shim, the shim being at least partially made of an elastic material.
  • the intermediate element is designed to be elastic so that when the width of the respective impeller shell increases, for example due to a temperature increase in the side channel compressor and the resulting thermal expansion of the respective impeller shell, it is compressed in the direction of the axis of rotation and thus reducing the width of the intermediate element.
  • the overall width of the compressor wheel therefore hardly changes, or at least only slightly, since the increase in the width of the impeller shells is compensated for by an increase in temperature by reducing the elastic intermediate element.
  • the advantage can be achieved that the at least one functionally relevant gap dimension does not change or at least only changes slightly, so that in particular there is no such an expansion of the functionally relevant gap dimension that at least one pneumatic encapsulation and / or separation a side channel or is lifted by a first and a second side channel.
  • the reliability and / or the efficiency of the side channel blower can be increased or at least maintained, even when going through a wide temperature range.
  • the compressor wheel is connected to a drive shaft by means of at least two circumferential driving flanges, the respective driving flange being non-positively connected to the drive shaft with its inner diameter radially to the axis of rotation, in particular by means of a press fit, and the respective driving flange being at least approximately axially to Axis of rotation is in contact with the respective impeller shell.
  • the driver flanges are fixed on the drive shaft in such a way that they exert a prestressing force running axially to the axis of rotation on the respective impeller shell and / or the at least one intermediate element.
  • the respective driver flange can have at least one fixing bore that extends at least approximately axially to the axis of rotation and into which at least one fixing pin of the respective impeller shell extends axially to the axis of rotation.
  • the respective impeller shell is positively fixed in the direction of the axis of rotation by means of the respective entrainment flange and at least indirectly by means of the respective other impeller shell.
  • Orthogonal to the axis of rotation the respective impeller shell is on the one hand positively fixed by means of the fixing pin protruding into the fixing bore and on the other hand additionally non-positively by means of the system on the other impeller shell.
  • the connection of the compressor wheel according to the invention by means of at least two driver flanges has the advantage that the functionally relevant gap dimensions can be compensated for with at least one floating and / or loose bearing. Reliable encapsulation of the at least one side channel or the respective side channels can thus be achieved, which can improve the efficiency of the side channel compressor.
  • the assembly and disassembly of the compressor wheel on the shaft is simplified by using the driver flanges and thus the assembly and maintenance costs can be reduced.
  • the shim has at least two openings which run at least approximately axially to the axis of rotation, a fluid connection of the Side channels axially to the axis of rotation is produced by the respective delivery cell in the compressor wheel.
  • the gaseous medium can flow at least partially in the direction of the axis of rotation from the first side channel through the delivery cell into the second side channel, but especially only when the compressor wheel is at a standstill or when the compressor wheel rotates slowly.
  • the gaseous medium flowing from the respective side channel axially to the axis of rotation through the at least one opening into the delivery cell can be better displaced in the desired direction and in the desired state of a circulation flow, as a result of which the delivery effect of the side channel compressor can be improved.
  • This increases the delivery pressure in the compressor chamber and the efficiency of the side channel compressor can be improved.
  • the double delivery effect can be used due to the presence of two side channels, even if only one gas inlet opening and one gas outlet opening are provided, for example, only in one lower housing part and thus in one interrupter area of the first side channel.
  • the gaseous medium can flow in the transition from the second side channel to the interrupter area during a rotation of the compressor wheel in the direction of the axis of rotation through the respective delivery cell and the respective openings of the shim to the gas outlet opening. So the delivery volume and / or the efficiency of the side channel compressor can be increased.
  • a housing has an upper housing part and the lower housing part, the upper housing part having a cylindrical collar rotating around the axis of rotation and the lower housing part having a cylindrical projection rotating around the axis of rotation, and the collar having the extension surrounds.
  • at least one gap dimension can be set between the compressor wheel and the housing by means of the adjusting disk.
  • the advantage can be achieved that the lower housing part can be centered in the upper housing part, since the approach with its outer diameter is guided on the inner diameter of the upper housing part, which means that Have assembly costs reduced.
  • assembly errors can be reduced, for example due to housing parts that are not optimally aligned with one another, which can reduce the probability of failure of the side channel blower.
  • Either shims with different thicknesses running in the direction of the axis of rotation can be used during assembly or it can be done by machining the shim just before or during the assembly process. Reworking the upper housing part and / or the lower housing part is no longer necessary. In this way the time of the month and / or the assembly costs can be reduced.
  • the intermediate element being embodied as at least one O-ring running around the axis of rotation and this enlarging at least one O-ring in egg nem Gap area of the gap is arranged.
  • the inventive design of the side channel compressor with the at least one O-ring rotating around the axis of rotation prevents the hydrogen from escaping from the area of the compressor space into other areas of the side channel compressor, which in turn could lead to losses in efficiency.
  • the efficiency of the fuel cell system and / or the entire vehicle can be increased by the advantageous development of the side channel poet.
  • the gap radially around the axis of rotation is located axially to the axis of rotation between the impeller shells, where the intermediate element is designed as at least one tube-like ring that rotates around the axis of rotation and has a cavity in its interior, this at least one tubular ring is arranged in the enlarged gap area of the gap.
  • a Federele element in particular a plate spring, is arranged in this at least one recess, the spring element axially pushing the impeller shells away from one another by means of a spring force and against the respective driving flange.
  • the upper housing part and / or the lower housing part and / or the driving flanges and / or the drive shaft are at least partially made of a metallic material, the components having an at least approximately the same thermal expansion coefficient.
  • a constant and at least approximately parallel to the axis of rotation duri fende pressing force can be exerted on the respective impeller shells.
  • the impeller shells are pressed against the respective driving flange in such a way that the overall width of the compressor impeller hardly changes or at least changes only slightly over a wide temperature range, for example from -20 ° C to 80 ° C.
  • a change in width, in particular in the direction of the axis of rotation, the respective impeller shell due to the expansion of the material from a temperature change can be compensated for by the variable width of the gap.
  • the gap becomes smaller, the spring ensuring constant pressing of the respective impeller shell against the respective driving flange.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention and a compressor wheel according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a section in FIG. 1 denoted A-A and B-B of the impeller shells of the compressor wheel and the feed cells with a shim
  • FIG. 3 shows the side view of the compensating disk with openings designated by C-C in FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the compression terrace according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a section in FIG. 4 labeled A-A and B-B of the impeller shells of the compressor wheel and the feed cells without the equalizing disk
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of the compression wheel according to the invention in accordance with a third exemplary embodiment
  • Figure 7 is a schematic sectional view of the compression wheel according to the invention according to a fourth embodiment. Description of the embodiment
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a side channel compressor 1 according to the invention and a compressor wheel 2 according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment.
  • the side channel compressor 1 has the compressor wheel 2, which is rotatably mounted about a ho rizontal axis of rotation 4 in a housing 3. Since serves as a drive 6, in particular an electric drive 6, as a rotary drive 6 of the compressor wheel 2 and a transmission of the torque and / or the rotary movement takes place from the drive 6 via a drive shaft 9 at least medium bar to the compressor wheel 2.
  • the compressor wheel 2 is formed in several parts according to the first embodiment and has a first impeller shell 10 and a second impeller shell 12, these being arranged in particular axially to the axis of rotation 4 next to each other and a radially rotating around the axis of rotation 4 gap 52 axially to the axis of rotation 4 between the impeller shells 10, 12 is located.
  • the impeller shells 10, 12 can each be at least partially made of a plastic.
  • the compressor wheel 2 in addition to the impeller shells 10, 12 has at least one intermediate element 13, 25, 57, the intermediate element 13, 25, 57 being in the gap 52 between the first impeller shell 10 and the second impeller shell 12.
  • the compressor wheel 2 is connected to the drive shaft 9 by means of at least two circumferential driver flanges 22, 24, the respective drive flange 22, 24 with its inner diameter radially to the axis of rotation 4 being positively connected, in particular by means of a press fit, to the drive shaft 9 and wherein the respective driving flange 22, 24 is at least approximately axially to the axis of rotation 4 with the respective impeller shell 10, 12 in contact.
  • the driver flanges 22, 24 are fi fixed on the drive shaft 9 that each exert an axially extending to the axis of rotation 4 biasing force on the respective impeller shell 10, 12 and / or the at least one intermediate element 13, 25, 57.
  • the respective driver flange 22, 24 also has at least one fixing bore 20a, b, c, d which extends at least approximately axially to the axis of rotation 4 and into which at least one fixing pin 18a, b, c, d of the respective impeller shell extends axially to the axis of rotation 4 10, 12 protrudes.
  • the intermediate element 13 shown in FIG. 1 according to the first embodiment is designed as a shim 13, the Shim 13 is at least partially made of an elastic material ago.
  • the elastic material can be, for example, a layered composite of at least one elastomer and / or another material, for example steel and / or plastic.
  • the housing 3 has a first circumferential side channel 19 and / or a second circumferential side channel 21 in the region of a compressor chamber 30.
  • a plurality of feed cells 5 runs circumferentially around the axis of rotation 4 in the almost completely rotating around the axis of rotation 4 Ver compressor chamber 30 of the housing 3 in the compressor wheel 2.
  • the side channels 19, 21 extend in the housing 3 in the direction of the axis of rotation 4 that these run axially to the feed cell 5 on both sides.
  • the side channels 19, 21 can run circumferentially about the axis of rotation 4 at least in a partial area of the housing 3, an interrupter area 15 being formed in the housing 3 in the partial area in which the side channels 19, 21 are not formed in the housing 3 is.
  • the drive shaft 9 is connected at least cardanically to the drive 6 at one end axially to the axis of rotation 4.
  • the bearings 27, 47 can be Rolling bearings 27, 47 act, in particular ball bearings 27, 47.
  • 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 are fluidly connected to one another, in particular via the at least one side channel 19, 21.
  • the compressor wheel 2 is set in rotary motion and the at least one feed cell 28 moves in a rotary motion around the axis of rotation 4 through the compressor chamber 30 in the housing 3
  • Compressor chamber 30 located gaseous medium moved along by the feed cell 28 and thereby conveyed and / or compressed.
  • gaseous medium in particular a flow exchange
  • the Ge housing 3 has radially to the axis of rotation 4 each have a first and second end face 32, 34, each of which faces the compressor wheel 2.
  • a first and a second functionally relevant gap dimension 36, 38 are formed between the housing 3 and the compressor wheel 2 in the area of the gap surfaces, which are located in particular between the respective end faces 32, 34.
  • the functionally relevant gap dimensions 36, 38 it is achieved that the side channels 19, 21 are encapsulated and thus pneumatically separated from one another. Since the compressor wheel 2 and the housing 3, in particular an upper housing part 7 and / or a lower housing part 8, form a respective functionally relevant gap dimension 36, 38, which is so small that the gaseous medium has the respective gap dimension 36, 38 cannot happen and / or cannot flow past. Since the mentioned surface pairings 32, 34 generally have as little play as possible with one another.
  • the gaseous medium which is in particular an unused recirculation medium from a fuel cell system 37, flows via the gas inlet opening 14 into the compression space 30 of the side channel compressor 1 and / or is fed to the side channel compressor 1 and / or is sucked in from the area upstream of the gas inlet opening 14.
  • the gaseous medium is discharged after it has passed through the gas outlet opening 16 of the side channel compressor 1 and flows back into the fuel cell system 37.
  • an axis of symmetry 48 is shown, which is orthogonal to the axis of rotation 4 and symmetrically centered through the cutting geometry of the compressor wheel 2 runs.
  • first impeller shell 10 with a third end face 40 and / or the second impeller shell 12 with a fourth end face 42 each with a fifth end face 44 of the first driver flange 22 and / or with a sixth end face 46 of the second driver flange 24 is in contact, in particular almost axially to the axis of rotation 4.
  • the shim 13 located between the impeller shells 10, 12 has, for example, a seventh end face 54 and a ninth end face 58 of the first impeller shell 10 and / or, for example, an eighth end face 56 and a tenth end face 60 of the second Impeller shell 12 is in contact, in particular almost axially to the axis of rotation 4.
  • the biasing force acting axially to the axis of rotation 4 acts over the surfaces 40, 42, 44, 46, 54, 56, 58, 60 on the respective components 10, 12, 13, 22, 24 and ensures a stable assembly of the compressor wheel 2, with high torques on the part of the drive 6 on the compressor wheel 2 transferred.
  • Fig. 1 it is also shown that the upper housing part 7 has a cylindrical collar 23 rotating around the axis of rotation 4 and the lower housing part 8 has a cylindrical extension 26 rotating around the axis of rotation 4, the cylindrical extension 26 with its Axis of rotation 4 facing away from the surface of the inner axis of the cylindrical collar 23 facing the axis of rotation 4.
  • a compensation gap 43 running radially to the axis of rotation 4 is located axially to the axis of rotation 4 between a front surface of the shoulder 26 of the lower housing part 8 and a front surface of the upper housing part 7.
  • the upper housing part 7 and / or the lower housing part 8 and / or the driving flanges 22, 24 and / or the drive shaft 9 are at least partially made of a metallic material, the components having an at least approximately the same thermal expansion coefficient. Since the metallic material can be aluminum and / or steel and / or a metallic alloy.
  • housing upper part 7 and / or lower housing part 8 and / or the driving flanges 22, 24 and / or the drive shaft 9 made of a, in particular metallic, material with an at least approximately the same thermal expansion coefficient, these components will move in the direction expand the axis of rotation 4 at least almost as much when the temperature increases and contract at least almost as much when the temperature decreases. Since the compressor wheel 2 and in particular the impeller shells 10, 12 are at least partially made of a plastic, these have a different coefficient of thermal expansion.
  • the width of the impeller shells 10, 12 changes differently when the temperature changes compared to the components housing upper part 7 and / or the housing lower part 8 and / or the driving flanges 22, 24 and / or the Drive shaft 9.
  • This could lead to such a widening of the respective functionally relevant gap dimension 36, 38, as a result of which the encapsulation and thus fluid and / or pneumatic separation of the side channels 19, 21 from one another would no longer be guaranteed.
  • the respective functionally relevant gap dimension 36, 38 could become so small that the compressor wheel 2 and the housing 3 come into contact with one another Components are damaged thereby and / or the compressor wheel 2 in the housing 3 Ge blocked and thus the side channel compressor 1 would no longer be functional.
  • the drive 6 has a rotor 17 running axially to the axis of rotation 4, the rotor 17 being connected to the drive shaft 9 in a force-locking and / or positive manner, in particular by means of a press fit. Encapsulation of the rotor 17 ensures that no hydrogen can get from the side channel compressor into the environment, which can lead to a reaction with oxygen and a detonating gas effect, which in turn could damage the side channel compressor and / or other components of the entire vehicle.
  • the drive 6 has a stator 11 rotating around the axis of rotation 4, the stator 11 being located outside around the rotor 17 and / or the rotor 17 being located within the inner diameter of the stator 11.
  • the rotor 17 By energizing the stator 11, the rotor 17 can be driven and in particular be moved in a Rotationsbe movement. Encapsulation of the stator 11 against environmental influences and / or against moisture and pollution from the outside is achieved by using a stator housing 39.
  • the rotor housing 41 and / or the stator housing 39 can be fixed to the housing 3 of the side channel compressor 1, in particular screwed to the housing.
  • Fig. 2 shows a in Fig. 1 denoted by AA and BB section of the impeller shells 10, 12 of the compressor wheel 2 and the feed cells 5 with the compensating disc 13.
  • the axis of symmetry 48 is shown in Fig. 2, the radial to the axis of rotation 4th and runs through the impeller 2.
  • the radially around the axis of rotation 4 circumferential gap 52 axially to the axis of rotation 4 and at the level of the symmetry axis 48 and at least approximately parallel to this between the race wheel shells 10, 12.
  • the shim 13 is arranged in this gap 52 and fills it at least almost completely.
  • a feed cell 5 is formed between two blades 55.
  • the symmetry of the V-shaped shape of the blades 55 is mirrored symmetrically by the axis of symmetry 48.
  • a respective end face of the blades 55 presses the gaseous medium, in particular hydrogen, located in the delivery cell 28 in a direction of rotation from the area of the gas inlet opening 14 to the area of the gas outlet opening 16, with acceleration and / or compression of the gaseous medium taking place.
  • the gaseous medium turns in the direction of rotation pressed out of the conveyor cell 28 away from the axis of symmetry 48 in the respective side channel 19, 21, the gaseous medium being displaced into the circulation flow 50 and the gaseous medium flowing out of the conveyor cell 28 at a speed in the respective side channel 19, 21 onto one slower flowing gaseous medium hits.
  • This side channel flow of the medium flows more slowly than the feed cell flow of the medium - a force from the medium in the feed cell 28 to the medium in the side channel 19, 21 resulting from the resulting centrifugal force difference. Since there is an exchange of impulses between the two media and energy is transferred by impulse exchange to a conveying stream through the gaseous medium put into circulation flow 50, this being in particular the stationary gaseous medium located in the respective side channel 19, 21.
  • the inventive design of the side channel compressor 1 with the at least one side channel 19, 21 is also advantageous that in the event of an out of the side channel compressor 1, the gaseous medium can continue to flow through the at least one side channel 19, 21, even if the compressor wheel 2 is stationary and there is therefore no risk that the delivery by the fuel cell system 37 will completely stop due to the failed side channel compressor 1.
  • This is particularly the case if a high pressure and a high delivery rate of the medium to be delivered are maintained in the fuel cell system 37, in particular by a further component of the fuel cell system 37.
  • FIG. 3 shows, in FIG. 2, a side view, designated CC, of the shim 13 with at least two openings 53.
  • the shim 13 has an inner contour 49 which runs in a ring around the axis of rotation 4.
  • the shim 13 has an outer contour 51 which runs in a ring around the axis of rotation 4 and has a larger diameter than the inner contour 49.
  • the inner contour 49 is connected by means of at least two connecting ribs 62 to the outer contour 51, the connecting ribs 62 running at least almost radially to the axis of rotation 4.
  • the arrangement of the connecting ribs 62 is circumferential about the axis of rotation 4 between the inner contour 49 and the outer contour 51.
  • the shim 13 forms a plurality of openings 53. Since are in the direction of the axis of rotation 4 end faces 54, 56 of the connecting ribs 62 in contact with the ver in the direction of the axis of rotation 4 end faces 58, 60 of the blades 55 of the respective impeller shell 10, 12th
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the compressor wheel 2 according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment.
  • the intermediate element 25 is designed as at least one circumferential axis of rotation 4 and the O-ring 25 at least one O-ring 25 is arranged in a ver enlarged gap area 28 of the gap 52.
  • the enlarged gap area 28 is achieved by enlarging the gap 52 in the impeller shells 10, 12. In this way, a possible leakage current that runs orthogonally to the axis of rotation 4 and between the two impeller shells 10, 12 can be prevented. This offers the advantage that no flow losses can be set in the compressor chamber 30 and the efficiency of the side channel compressor 1 can thus be increased.
  • An outer O-ring 25a and an inner O-ring 25b can each be located in the enlarged gap area 28 between the impeller shells 10, 12, with the use of the two O-rings 25a, b providing an effective pneumatic and / or hydraulic separation of the side channels 19, 21 can be achieved.
  • the O-rings 25a, b are designed such that they can be pressed together and elastically widen back into the original shape. In this way, the total width 45 of the compressor wheel 2 can pass through different temperature ranges. be adapted in such a way that the functionally relevant gap dimensions 36, 38 remain constant or at least almost do not change, regardless of the temperature and / or the different coefficients of thermal expansion of the further components of the side channel compressor 1.
  • Fig. 5 shows a in Fig. 4 denoted by AA and BB section of the impeller shells 10, 12 of the compressor wheel 2 and the feed cells 5 without the corresponding shim 13.
  • the gap 52 between the respective impeller shells 10 is in the sectional plane shown , 12 wherein the gap 52 extends at least parallel to the axis of symmetry 48.
  • the distance between the impeller shells 10, 12 is kept by means of the at least one O-ring 25 not visible in this plane.
  • the respective impeller shell 10, 12 are pressed against each other at least approximately parallel to the axis of rotation 4 by means of the respective driving flange 22, 24 and come at least indirectly into contact with one another via the at least one O-ring 25, but the gap 52 and / or the enlarged gap area 28 forms between the driver flanges 22, 24 (shown in FIG. 4).
  • Fig. 6 shows a schematic sectional view of the compression wheel according to the invention according to a third embodiment.
  • the gap 52 which runs radially around the axis of rotation 4, is located axially to the axis of rotation 4 between the impeller shells 10, 12, the intermediate element 57 being designed as at least one hose-like ring 57 which runs around the axis of rotation 4 and has a cavity 59 in its interior , wherein this is arranged at least one hose-like ring 57 in the enlarged gap region 28 of the gap 52.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view of the compressor wheel 2 according to the invention in accordance with a fourth exemplary embodiment. It is located in each case a recess 31 axially to the axis of rotation 4 between the impeller shells 10, 12, wherein a spring element 35, in particular a plate spring 35, at least one recess 31 is arranged in this. This at least one recess 31 is at least partially formed circumferentially about the axis of rotation 4 in each of the two impeller shells 10, 12, the respective recess 31 in
  • Direction of the axis of symmetry 48 can be arranged offset in the first impeller shell 10 in relation to the second impeller shell 12.
  • the spring element 35 can be guided in the compressor wheel 2.
  • the spring element 35 presses the impeller shells 10, 12 axially away from each other by means of a spring force and against the respective driver flange 22, 24.
  • a further spring force can be applied to the impeller shells 10 , 12 act.

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Abstract

Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (37) zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3), mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterraum (30), der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal (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 (5) aufweist, und mit jeweils einer am Gehäuse (3) ausgebildeten Gas-Einlassöffnung (14) und einer Gas-Auslassöffnung (16), die über den Verdichterraum (30), insbesondere den mindestens einen Seitenkanal (19, 21), fluidisch miteinander verbunden sind, wobei das Gehäuse (3) radial zur Drehachse (4) jeweils eine erste und zweite Stirnfläche (32, 34) aufweist, die jeweils dem Verdichterrad (2) zugewandt ist und wobei sich im Bereich der Spaltflächen jeweils ein erstes und zweites funktionsrelevantes Spaltmaß (36, 38) ausbildet. Erfindungsgemäß ist dabei das Verdichterrad (2) mehrteilig ausgebildet und weist eine erste Laufradschale (10) und eine zweite Laufradschale (12) auf. Dabei sind diese Laufradschalen (10, 12) insbesondere axial zur Drehachse (4) nebeneinander angeordnet und jeweils zumindest teilweise aus einem Kunststoff hergestellt.

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 zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Me dium, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeu gen 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 gasförmige Medium aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung ei nes Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektorein heit führt das gasförmige Medium über eine Verbindungsleitung eines Nieder druckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Nachdem das gasförmige Me dium durch die Brennstoffzelle geströmt ist wird es über eine Rückführleitung zu rück zur Ejektoreinheit geführt. Dabei kann der Seitenkanalverdichter zwischen geschaltet werden, der die Gasrückführung strömungstechnisch und effizienz technisch unterstützt. Zudem werden Seitenkanalverdichter zur Unterstützung des Strömungsaufbaus im Brennstoffzellenantrieb eingesetzt, 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 Al 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 weist das Gehäuse eine erste und eine zweite dem Verdichterrad zu gewandte Stirnfläche auf, die jeweils radial zur Drehachse verlaufen. In diesen Bereichen bildet sich jeweils ein innerer und ein äußerer Axialspalt zwischen dem Gehäuse und dem Verdichterrad aus.
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, mit dem das Verdichterrad aus einem ein stückigen Gussteil ausgebildet ist, können die Herstellkosten des Verdichterrads entsprechend hoch sein. Die hohen Herstellkosten setzen sich dabei wie folgt zu sammen: hohe Rohmaterial- Kosten des Gussmaterials und/oder hohe Energie kosten bei der Herstellung, insbesondere bei einem Gießprozess, des Verdich terrads als Gussteil und/oder hohe Bearbeitungskosten bei der Nachbearbeitung des Verdichterrads, wie beispielsweise eine spanende und/oder schleifende Nachbearbeitung.
Ein weiterer Nachteil des aus der DE10 2007 053 016 Al bekannten Seitenka nalverdichters ist die hohe Maße des aus dem Gussmaterial hergestellten Ver dichterrads. Insbesondere bei einem häufigen Anfahren und Abbremsen des Sei tenkanalverdichters muss das Verdichterrad fortwährend derart beschleunigt und/oder abgebremst werden, dass es eine entsprechende Drehzahl aufbaut und/oder abbaut. Bei der Verwendung des Verdichterrads aus Gussmaterial ist aufgrund der Masse des Gussmaterials hierzu ein entsprechend hoher Energie aufwand des Antriebs notwendig, insbesondere in Form von elektrischer Energie, was wiederum zu erhöhten Betriebskosten des Seitenkanalverdichters führt. Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist ein Seitenkanalverdichter derart ausgeführt, dass ein Verdichterrad mehrteilig ausgebildet ist und eine erste Laufradschale und eine zweite Laufradschale aufweist, wobei diese insbesondere axial zu einer Drehachse nebeneinander angeordnet sind und jeweils zumindest teilweise aus einem Kunststoff hergestellt sind. Auf diese Weise können die Herstellkosten des Verdichterrads reduziert werden, wobei im Folgenden die verringerten Kosten während der Phasen des Herstellprozesses erläutert werden. Die Materialkosten, insbesondere die Rohmaterialkosten, für das Verdichterrad und/oder die Laufrad schalen die zumindest teilweise oder zumindest nahezu vollständig aus mindes tens einem Kunststoff bestehen sind geringer als die Materialkosten, insbeson dere die Rohmaterialkosten des Verdichterrads aus einem Gussmaterial. Des Weiteren muss bei der Ausformung des Verdichterrads und/oder der Laufrad schalen aus Kunststoff, beispielsweise mittels eines Spritzgußverfahrens, weni ger Energie, insbesondere elektrische Energie, aufgewendet werden, als bei der Ausformung, insbesondere mittels eines Gießverfahrens. Weiterhin sind die Kos ten für die Nachbearbeitung des Verdichterrads und/oder der Laufradschalen, bei dem als Werkstoff Kunststoff verwendet wird, geringer im Vergleich zu dem Ver dichterrad und/oder den Laufradschalen aus Gussmaterial, insbesondere auf grund der Materialhärte und dem daraus resultierenden Werkzeugverschleiss und einer für das Verdichterrad nachteiligen Temperaturentwicklung bei der Nachbearbeitung. Auf diese Weise kann durch die Verwendung von Kunststoff anstelle von beispielsweise einem Gussmaterial zum einen die Herstellkosten und zudem das Gesamtgewicht und/oder die Gesamtmasse des Verdichterrads reduziert werden. Folglich weist das Verdichterrad somit geringeres Massenträg heitsmoment insbesondere bei einer Rotationsbewegung auf. Zum einen ergibt sich damit der Vorteil, dass das Verdichterrad eine verbesserte Rotationsdyna mik und ein schnelleres Ansprechverhalten beim Beschleunigen und/oder Ab bremsen in die und/oder aus der Rotationsbewegung aufweist, wobei sich somit die gewünschte Drehzahländerung schneller erreichen lässt. Somit kann ein ge wünschter Betriebszustand des Anodenkreislaufs und somit der gesamten Brennstoffzelle schneller herbeigeführt werden. Zum anderen lässt sich der Vor teil erzielen, dass die benötige Energie, insbesondere die elektrische Energie, für einen Antrieb des Seitenkanalverdichters reduziert werden kann, da es für eine Beschleunigung und/oder Abbremsung des Verdichterrads aufgrund des geringe ren Massenträgheitsmomentes weniger Energie, insbesondere elektrische Ener gie, aufgewendet werden muss. Auf diese Weise lassen sich die gesamten Be triebskosten und/oder die Herstellkosten eines Brennstoffzellensystems reduzie ren.
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 vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verdichterrad zusätzlich zu den Laufradschalen mindestens ein Zwischenelement auf, wobei sich das Zwi schenelement zwischen der ersten Laufradschale und der zweiten Laufradschale befindet. Zudem kann das Zwischenelement als eine Ausgleichsscheibe ausge führt sein, wobei die Ausgleichsscheibe zumindest teilweise aus einem elasti schen Werkstoff hergestellt ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine Gesamt-Breite des Verdichterrads, die insbesondere zumindest na hezu parallel zur Drehachse verläuft, auch beim Durchlaufen eines weiten Tem peraturbereichs, beispielsweise von -20°C bis 80°C, sich nahezu nicht ändert o- der zumindest nur geringfügig ändert. Dieser Vorteil kann insofern erzielt werden, da das Zwischenelement derart elastisch ausgeführt ist, dass es bei einem Zu wachs einer Breite der jeweiligen Laufradschale, beispielsweise aufgrund einer Temperaturerhöhung im Seitenkanalverdichter und der daraus resultierenden Wärmeausdehnung der jeweiligen Laufradschale, in Richtung der Drehachse zu sammengepresst wird und somit eine Breite des Zwischenelements verringert.
Daher ändert sich die Gesamt-Breite des Verdichterrads nahezu nicht oder zu mindest nur geringfügig, da der Breitenzuwachs der Laufradschalen bei einer Temperaturerhöhung durch das Verkleinern des elastischen Zwischenelements ausgeglichen wird. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass sich das mindestens eine funktions relevante Spaltmaß nicht ändert oder zumindest nur geringfügig ändert, so dass es insbesondere nicht zu einer derartigen Erweite rung der funktionsrelevanten Spaltmaße kommt, dass eine pneumatische Kapse lung und/oder Trennung mindestens eines Seitenkanals oder von einem ersten und einem zweiten Seitenkanal aufgehoben wird. Somit lässt sich die Zuverläs sigkeit und/oder der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöhen oder zu mindest beibehalten, auch beim Durchlaufen eines weiten Temperaturbereichs. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Verdichterrad mittels mindestens zwei umlaufender Mitnehmerflansche mit einer Antriebswelle verbunden, wobei der jeweilige Mitnehmerflansch mit seinem Innendurchmesser radial zur Dreh achse kraftschlüssig, insbesondere mittels eines Pressverbands, mit der An triebswelle verbunden ist und wobei der jeweilige Mitnehmerflansch zumindest annähernd axial zur Drehachse mit der jeweiligen Laufradschale in Anlage steht. Zudem sind die Mitnehmerflansche derart auf der Antriebswelle fixiert, dass diese jeweils eine axial zur Drehachse verlaufende Vorspannkraft auf die jewei lige Laufradschale und/oder das mindestens eine Zwischenelement ausüben.
Dabei kann der jeweilige Mitnehmerflansch mindestens eine zumindest annä hernd axial zur Drehachse verlaufenden Fixierbohrung aufweisen, in die mindes tens ein axial zur Drehachse verlaufender Fixierzapfen der jeweiligen Laufrad schale hineinragt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die je weilige Laufradschale in Richtung der Drehachse mittels des jeweiligen Mitneh merflansches und zumindest mittelbar mittels der jeweiligen anderen Laufrad schale formschlüssig fixiert ist. Orthogonal zur Drehachse ist die jeweilige Lauf radschale zum einen formschlüssig mittels des in die Fixierbohrung ragenden Fi xierzapfens fixiert und zum anderen zusätzlich kraftschlüssig mittels der Anlage an der jeweils anderen Laufradschale. Dies bietet den Vorteil, dass zum einen ein hohes motorseitiges Antriebsmoment auf das Verdichterrad, insbesondere die Laufradschalen übertragen werden kann. Dies führt zu einer geringeren Aus fahlwahrscheinlichkeit des gesamten Seitenkanalverdichters auch bei stark schwankenden Drehmomenten und/oder Drehmomentüberhöhungen aus dem Antrieb. Zum anderen bietet die erfindungsgemäße Verbindung des Verdichter- rads mittels mindestens zwei Mitnehmerflansche den Vorteil, dass bei zumindest einer schwimmenden und/oder einer Loslagerung die funktionsrelevanten Spalt maße ausgeglichen werden können. Somit kann eine zuverlässige Kapselung des mindestens einen Seitenkanals oder der jeweiligen Seitenkanäle erzielt wer den, wodurch der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters verbessert werden kann. Zudem wird eine Montage und Demontage des Verdichterrads auf der Welle durch die Verwendung der Mitnehmerflansche vereinfacht und somit kön nen die Montage- und Wartungskosten reduziert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ausgleichsscheibe mindestens zwei Öffnungen auf, die zumindest annähernd axial zur Drehachse verlaufen, wobei mittels der jeweiligen Öffnung eine fluidische Verbindung der Seitenkanäle axial zur Drehachse durch die jeweilige Förderzelle im Verdichter rad hergestellt wird. Auf diese Weise kann das gasförmige Medium zumindest teilweise in Richtung der Drehachse vom ersten Seitenkanal durch die Förder zelle in den zweiten Seitenkanal strömen, insbesondere jedoch nur bei einem Stillstand des Verdichterrads oder bei einer langsamen Rotationsbewegung des Verdichterrads. Auf diese Weise kann zudem das von dem jeweiligen Seitenka nal axial zur Drehachse durch die mindestens eine Öffnung in die Förderzelle einströmende gasförmige Medium besser in die gewünschte Richtung und in den gewünschten Zustand einer Zirkulationsströmung versetzt werden, wodurch die Förderwirkung des Seitenkanalverdichters verbessert werden kann. Dadurch wird der Förderdruck im Verdichterraum erhöht und der Wirkungsgrad des Sei tenkanalverdichters kann verbessert werden. Weiterhin lässt sich der doppelte Fördereffekt aufgrund von zwei vorhanden Seitenkanälen nutzen auch wenn nur jeweils eine Gas-Einlassöffnung und eine Gas-Auslassöffnung beispielsweise nur in einem Gehäuse-Unterteil und somit in einem Unterbrecher-Bereich des ersten Seitenkanals vorgesehen ist. Dabei kann das gasförmige Medium im Übergang vom zweiten Seitenkanal zum Unterbrecher-Bereich bei einer Rotation des Ver dichterrads in Richtung der Drehachse durch die jeweilige Förderzelle und die je weiligen Öffnungen der Ausgleichsscheibe zur Gas-Auslassöffnung strömen. So mit kann das Fördervolumen und/oder der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdich ters erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist ein Gehäuse ein Gehäuse-Ober teil und das Gehäuse-Unterteil auf, wobei das Gehäuse-Oberteil einen um die Drehachse umlaufenden zylindrischen Kragen und das Gehäuse-Unterteil einen um die Drehachse umlaufenden zylindrischen Ansatz aufweist und wobei der Kragen den Ansatz umgibt. Zudem befindet sich ein radial zur Drehachse verlau fender Ausgleichsspalt axial zur Drehachse zwischen dem Ansatz des Gehäuse- Unterteils und dem Gehäuse-Oberteil und/oder es befindet sich eine radial zur Drehachse verlaufende Einstellscheibe axial zur Drehachse zwischen einer Anla gefläche des Kragens des Gehäuse-Oberteils und dem Gehäuse-Unterteil. Dabei kann insbesondere mittels der Einstellscheibe mindestens jeweils ein Spaltmaß zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse eingestellt werden. Auf diese Weise kann zum einen der Vorteil erzielt werden, dass sich das Gehäuse-Unter teil im Gehäuse-Oberteil zentrieren lässt, da der Ansatz mit seinem Außendurch messer am Innendurchmesser des Gehäuse-Oberteils geführt wird, wodurch sich Montage- Kosten reduzieren lassen. Zudem können Montagefehler reduziert wer den, beispielsweise durch nicht optimal zueinander ausgerichteten Gehäusetei len, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters redu zieren lässt. Des Weiteren ist es mittels des Einsatzes der Einstellscheibe mög lich Fertigungstoleranzen des Gehäuse-Oberteils und/oder des Gehäuse-Unter teils derart auszugleichen, dass ein optimales funktionsrelevantes erstes und/o der zweites Spaltmaß eingestellt werden kann. Dabei können entweder bei der Montage Einstellscheiben mit unterschiedlichen in Richtung der Drehachse ver laufenden Dicken verwendet werden oder es kann mittels einer Bearbeitung der Einstellscheibe kurz vor dem oder beim Montageprozess erfolgen. Eine Nachbe arbeitung des Gehäuse-Oberteils und/oder des Gehäuse-Unterteils ist nicht mehr notwendig. Auf diese Weise kann die Monatezeit und/oder die Montagekosten reduziert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung befindet sich ein radial um die Drehachse umlaufender Spalt axial zur Drehachse zwischen den Laufrad schalen, wobei das Zwischenelement als mindestens ein um die Drehachse um laufender O-Ring ausgeführt ist und wobei dieser mindestens eine O-Ring in ei nem vergrößerten Spaltbereich des Spalts angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein möglicher Leckage-Strom der orthogonal zur Drehachse und zwischen den beiden Laufradschalen hindurch verläuft verhindert werden. Dies bietet den Vor teil, dass sich keine Strömungsverluste im Verdichterraum einstellen und sich so mit der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöhen lässt. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters mit dem mindestens einen um die Drehachse umlaufenden O-Ring verhindert wer den, dass Wasserstoff aus dem Bereich des Verdichterraums in andere Bereiche des Seitenkanalverdichters entweicht, was wiederum zu Wirkungsgradverlusten führen könnte. Somit kann Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems und/oder des Gesamtfahrzeugs durch die vorteilhafte Weiterbildung des Seitenkanalver dichters erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich der radial um die Dreh achse umlaufende Spalt axial zur Drehachse zwischen den Laufradschalen, wo bei das Zwischenelement als mindestens ein um die Drehachse umlaufender schlauchartiger Ring ausgeführt ist, der in seinem Inneren einen Hohlraum auf weist, wobei dieser mindestens eine schlauchartige Ring in dem vergrößerten Spaltbereich des Spalts angeordnet ist. Zudem befindet sich mindestens eine Aussparung axial zur Drehachse in den Laufradschalen, wobei ein Federele ment, insbesondere eine Tellerfeder, in dieser mindestens einen Aussparung an geordnet ist, wobei das Federelement die Laufradschalen mittels einer Federkraft axial voneinander weg und gegen den jeweiligen Mitnehmerflansch drückt. Des Weiteren sind das Gehäuse-Oberteil und/oder das Gehäuse-Unterteil und/oder die Mitnehmerflansche und/oder die Antriebswelle zumindest teilweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, wobei die Bauteile einen zumindest annä hernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Auf diese Weise kann eine konstante und zumindest annähernd parallel zur Drehachse verlau fende Anpresskraft auf die jeweiligen Laufradschalen ausgeübt werden. Dabei werden die Laufradschalen derart gegen den jeweiligen Mitnehmerflansch ge drückt, dass sich die Gesamt-Breite des Verdichterrads über einen weiten Tem peraturbereich, beispielsweise von -20°C bis 80°C, nahezu nicht ändert oder zu mindest nur geringfügig ändert. Dabei kann eine Änderung der Breite, insbeson dere in Richtung der Drehachse, der jeweiligen Laufradschale aufgrund der Aus dehnung des Materials bei einer Temperaturänderung durch die variable Breite des Spalts ausgeglichen werden. Sobald die Laufradschalen an Breite zunehmen wird der Spalt kleiner, wobei die Feder für ein konstantes Anpressen der jeweili gen Laufradschale an den jeweiligen Mitnehmerflansch sorgt. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass sich auch das mindestens eine funktionsrele vante Spaltmaße nicht ändert oder zumindest nur geringfügig ändert, so dass es insbesondere nicht zu einer derartigen Erweiterung des mindestens einen funkti onsrelevanten Spaltmaßes kommt, dass eine pneumatische Kapselung und/oder Trennung der Seitenkanäle aufgehoben wird. Somit lässt sich die Zuverlässigkeit und/oder der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöhen oder zumindest beibehalten, auch beim Durchlaufen eines weiten Temperaturbereichs.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. 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 und eines erfindungsgemäßen Verdichterrads ge mäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 einen in Fig. 1 mit A-A und B-B bezeichneten Schnitt der Laufrad schalen des Verdichterrades und der Förderzellen mit einer Aus gleichsscheibe,
Figur 3 die in Figur 2 mit C-C bezeichnete Seitenansicht der Ausgleichs scheibe mit Öffnungen,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdich terrads gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 5 einen in Fig. 4 mit A-A und B-B bezeichneten Schnitt der Laufrad schalen des Verdichterrades und der Förderzellen ohne die Aus gleichsscheibe,
Figur 6 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdich terrads gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 7 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdich terrads gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfin dungsgemäßen Seitenkanalverdichters 1 und eines erfindungsgemäßen Verdich- terrads 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Der Seitenkanalverdichter 1 weist dabei das 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 und eine Übertragung des Drehmoments und/oder der Drehbewegung findet vom Antrieb 6 über eine Antriebswelle 9 zumindest mittel bar auf das Verdichterrad 2 statt. Dabei ist das Verdichterrad 2 gemäß dem ers ten Ausführungsbeispiel mehrteilig ausgebildet und weist eine erste Laufrad schale 10 und eine zweite Laufradschale 12 auf, wobei diese insbesondere axial zur Drehachse 4 nebeneinander angeordnet sind und sich ein radial um die Drehachse 4 umlaufender Spalt 52 axial zur Drehachse 4 zwischen den Laufrad schalen 10, 12 befindet. Die Laufradschalen 10, 12 können dabei jeweils zumin dest teilweise aus einem Kunststoff hergestellt sein. Zudem weist das Verdichter rad 2 zusätzlich zu den Laufradschalen 10, 12 mindestens ein Zwischenelement 13, 25, 57 auf, wobei sich das Zwischenelement 13, 25, 57 in dem Spalt 52 zwi schen der ersten Laufradschale 10 und der zweiten Laufradschale 12 befindet.
Das Verdichterrad 2 ist dabei mittels mindestens zwei umlaufender Mitnehmer flansche 22, 24 mit der Antriebswelle 9 verbunden, wobei der jeweilige Mitneh merflansch 22, 24 mit seinem Innendurchmesser radial zur Drehachse 4 kraft schlüssig, insbesondere mittels eines Pressverbands, mit der Antriebswelle 9 verbunden ist und wobei der jeweilige Mitnehmerflansch 22, 24 zumindest annä hernd axial zur Drehachse 4 mit der jeweiligen Laufradschale 10, 12 in Anlage steht. Die Mitnehmerflansche 22, 24 sind dabei derart auf der Antriebswelle 9 fi xiert, dass diese jeweils eine axial zur Drehachse 4 verlaufende Vorspannkraft auf die jeweilige Laufradschale 10, 12 und/oder das mindestens eine Zwischen element 13, 25, 57 ausüben. Der jeweilige Mitnehmerflansch 22, 24 weist dar über hinaus mindestens eine zumindest annähernd axial zur Drehachse 4 verlau fenden Fixierbohrung 20a, b, c, d auf, in die mindestens ein axial zur Drehachse 4 verlaufender Fixierzapfen 18a, b, c, d der jeweiligen Laufradschale 10, 12 hin einragt. Das in Fig. 1 gezeigte Zwischenelement 13 gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel ist dabei als eine Ausgleichsscheibe 13 ausgeführt ist, wobei die Ausgleichsscheibe 13 zumindest teilweise aus einem elastischen Werkstoff her gestellt ist. Bei dem elastischen Werkstoff kann es sich dabei beispielsweise um einen geschichteten Verbund von mindestens einem Elastomer und/oder einem weiteren Werkstoff, beispielsweise Stahl und/oder Kunststoff, handeln.
Des Weiteren weist das Gehäuse 3 im Bereich eines Verdichterraums 30 einen ersten umlaufende Seitenkanal 19 und/oder einen zweiten umlaufenden Seiten kanal 21 auf. Dabei verläuft eine Vielzahl an Förderzellen 5 umlaufend um die Drehachse 4 in dem nahezu vollständig um die Drehachse 4 umlaufenden Ver dichterraum 30 des Gehäuses 3 im Verdichterrad 2. Dabei verlaufen die Seiten kanäle 19, 21 derart im Gehäuse 3 in Richtung der Drehachse 4, dass diese axial zur Förderzelle 5 beidseitig verlaufen. Die Seitenkanäle 19, 21 können dabei zu mindest 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 Unterbrecher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist.
Die Antriebswelle 9 ist mit einem Ende axial zur Drehachse 4 zumindest karda- nisch mit dem Antrieb 6 verbunden. Dabei befindet sich ein erstes Lager 27 am Außendurchmesser der Antriebswelle 9 axial im Bereich zwischen dem Antrieb 6 und dem Verdichterrad 2 und ein zweites Lager 47 auf der dem Antrieb 6 abge wandten Seite des Verdichterrads 2. Bei den Lagern 27, 47 kann es sich um Wälzlager 27, 47 handeln, insbesondere um Kugellager 27, 47. Weiterhin bildet das Gehäuse 3 eine Gas- Einlassöffnung 14 und eine Gas-Auslassöffnung 16 aus. Dabei sind die Gas- Einlassöffnung 14 und die Gas-Auslassöffnung 16, ins besondere über den mindestens einen Seitenkanal 19, 21 fluidisch miteinander verbunden.
Sobald vom Antrieb 6 das Drehmoment auf das Verdichterrad 2 übertragen wird, wird das Verdichterrad 2 in Rotationsbewegung versetzt und die wenigstens eine Förderzelle 28 bewegt sich in einer Rotationsbewegung umlaufend um die Dreh achse 4 durch den Verdichterraum 30 im Gehäuse 3. 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 50 innerhalb des jeweiligen Seitenkanals 19, 21 ausbilden kann. Das Ge häuse 3 weist dabei radial zur Drehachse 4 jeweils eine erste und zweite Stirnflä che 32, 34 auf, die jeweils dem Verdichterrad 2 zugewandt sind. Dabei bilden sich im Bereich der Spaltflächen, die sich insbesondere zwischen den jeweiligen Stirnflächen 32, 34 befinden, jeweils ein erstes und zweites funktionsrelevantes Spaltmaß 36, 38 zwischen dem Gehäuse 3 und dem Verdichterrad 2 aus.
Mittels der funktionsrelevanten Spaltmaße 36, 38 wird erreicht, dass die Seiten kanäle 19, 21 gekapselt und somit pneumatisch voneinander getrennt sind. Da bei bildet das Verdichterrad 2 und das Gehäuse 3, insbesondere ein Gehäuse- Oberteil 7 und/oder ein Gehäuse-Unterteil 8, ein jeweiliges funktionsrelevantes Spaltmaß 36, 38 aus, das derart klein ist, dass das gasförmige Medium das je weilige Spaltmaß 36, 38 nicht passieren und/oder nicht vorbeiströmen kann. Da bei weisen die erwähnten Flächenpaarungen 32, 34 in der Regel ein möglichst geringes Spiel zueinander auf. Des Weiteren strömt das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein unverbrauchtes Rezirkulationsmedium aus ei nem Brennstoffzellensystem 37, handelt, über die Gas- Einlassöffnung 14 in den Verdichterraum 30 des Seitenkanalverdichters 1 ein und/oder wird dem Seitenka nalverdichter 1 zugeführt und/oder wird aus dem Bereich, der der Gas- Einlassöff nung 14 vorgelagert ist, angesaugt. Dabei wird das gasförmige Medium nach er folgtem Durchlauf durch die Gas-Auslassöffnung 16 des Seitenkanalverdichters 1 abgeleitet und strömt zurück in das Brennstoffzellensystem 37. Des Weiteren ist eine Symmetrieachse 48 gezeigt, die orthogonal zur Drehachse 4 und symmet risch mittig durch die Schnittgeometrie des Verdichterrads 2 verläuft.
Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass beispielsweise die erste Laufradschale 10 mit einer dritten Stirnfläche 40 und/oder die zweite Laufradschale 12 mit einer vierten Stirnfläche 42 jeweils mit einer fünften Stirnfläche 44 des ersten Mitneh merflansches 22 und/oder mit einer sechsten Stirnfläche 46 des zweiten Mitneh merflansches 24 in Anlage steht, insbesondere nahezu axial zur Drehachse 4.
Zudem ist gezeigt, dass die sich zwischen den Laufradschalen 10, 12 befindliche Ausgleichsscheibe 13 beispielsweise mit einer siebten Stirnfläche 54 und mit ei ner neunten Stirnfläche 58 der ersten Laufradschale 10 und/oder beispielsweise mit einer achten Stirnfläche 56 und mit einer zehnten Stirnfläche 60 der zweiten Laufradschale 12 in Anlage steht, insbesondere nahezu axial zur Drehachse 4.
Dabei wirkt die axial zur Drehachse 4 wirkende Vorspannkraft über die Flächen 40, 42, 44, 46, 54, 56, 58, 60 auf die jeweiligen Bauteile 10, 12, 13, 22, 24 und sorgt für einen stabilen Montageverbund des Verdichterrads 2, wobei sich auch hohe Drehmomente seitens des Antriebs 6 auf das Verdichterrrad 2 übertragen lassen.
In Fig. 1 ist zudem gezeigt, dass das Gehäuse-Oberteil 7 einen um die Dreh achse 4 umlaufenden zylindrischen Kragen 23 und das Gehäuse-Unterteil 8 ei nen um die Drehachse 4 umlaufenden zylindrischen Ansatz 26 aufweist, wobei der zylindrische Ansatz 26 mit seinem der Drehachse 4 abgewandten Mantelflä che der der Drehachse 4 zugewandten Innenfläche des zylindrischen Kragens 23 zugewandt ist. Ein radial zur Drehachse 4 verlaufender Ausgleichsspalt 43 befin det sich dabei axial zur Drehachse 4 zwischen einer Frontfläche des Ansatzes 26 des Gehäuse-Unterteils 8 und einer Frontfläche des Gehäuse-Oberteils 7. Des Weiteren befindet sich eine radial zur Drehachse 4 verlaufende Einstellscheibe 29 axial zur Drehachse 4 zwischen einer Anlagefläche 33 des Kragens 23 des Gehäuse-Oberteils 7 und einer Frontfläche des Gehäuse-Unterteils 8. Dabei kann insbesondere mittels der Einstellscheibe 29 mindestens jeweils ein Spalt maß 36, 38 zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Gehäuse 3 eingestellt wer den. Dabei sind das Gehäuse-Oberteil 7 und/oder das Gehäuse-Unterteil 8 und/oder die Mitnehmerflansche 22, 24 und/oder die Antriebswelle 9 zumindest teilweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, wobei die Bauteile einen zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Da bei kann es sich bei dem metallischen Werkstoff um Aluminium und/oder Stahl und/oder eine metallische Legierung handeln.
Aufgrund der Ausführung der Bauteile Gehäuse-Oberteil 7 und/oder Gehäuse- Unterteil 8 und/oder die Mitnehmerflansche 22, 24 und/oder die Antriebswelle 9 aus einem, insbesondere metallischen, Werkstoff mit einem zumindest annä hernd gleichen Wärmeausdehungskoeffizienten werden sich diese Bauteile in Richtung der Drehachse 4 bei einer Erhöhung der Temperatur zumindest nahezu gleich stark ausdehnen und bei einer Verringerung der Temperatur zumindest nahezu gleich stark zusammenziehen. Da das Verdichterrad 2 und insbesondere die Laufradschalen 10, 12 zumindest teilweise aus einem Kunststoff hergestellt sind weisen diese einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
Somit ändert sich die Breite der Laufradschalen 10, 12 unterschiedlich bei einer Temperaturänderung im Vergleich zu den Bauteilen Gehäuse-Oberteil 7 und/o der das Gehäuse-Unterteil 8 und/oder die Mitnehmerflansche 22, 24 und/oder die Antriebswelle 9. Dies wiederum könnte zu einer derartigen Aufweitung des jewei ligen funktionsrelevanten Spaltmaßes 36, 38 führen, wodurch die Kapselung und somit fluidische und/oder pneumatische Trennung der Seitenkanäle 19, 21 vonei nander nicht mehr gewährleistet wäre. Zum anderen könnte bei einer Verringe rung des Spaltmaßes 36, 38 aufgrund von Temperaturänderungen und unter schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bauteile des Seitenkanalver dichters 1 das jeweilige funktionsrelevante Spaltmaß 36, 38 derart klein werden, dass das Verdichterrad 2 und das Gehäuse 3 miteinander in Kontakt kommen, die Bauteile dadurch beschädigt werden und/oder das Verdichterrad 2 im Ge häuse 3 blockiert und somit der Seitenkanalverdichter 1 nicht mehr funktionsfähig wäre. Aufgrund der Einsatzes der Ausgleichscheibe 13 zwischen den beiden Laufradschalen 10, 12, wobei die Ausgleichsscheibe 13 zumindest teilweise aus einem elastischen Werkstoff hergestellt ist, können unterschiedliche Breitenände rung der Bauteile Laufradschalen 10, 12 im Vergleich zu den Bauteilen Gehäuse- Oberteil 7 und/oder Gehäuse-Unterteil 8 und/oder die Mitnehmerflansche 22, 24 und/oder die Antriebswelle 9 derart kompensiert werden, dass die Ausgleichs scheibe 13 zumindest nahezu in Richtung der Drehachse 4 zusammengepresst und/oder auseinandergezogen wird. Auf diese Weise kann eine Gesamt-Breite 45 des Verdichterrads 2 beim Durchlaufen unterschiedlicher Temperaturbereich derart angepasst werden, dass die funktionsrelevanten Spaltmaße 36, 38 gleich bleibend sind und somit unabhängig von der Temperatur und den unterschiedli chen Wärmeausdehnungskoeffzienten der Bauteile des Seitenkanalverdichters 1.
In Fig. 1 ist darüber hinaus gezeigt, dass der Antrieb 6 einen axial zur Drehachse 4 verlaufenden Rotor 17 aufweist, wobei der Rotor 17 kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Antriebswelle 9 verbunden ist, insbesondere mittels eines Pressverbands. Eine Kapselung des Rotors 17 sorgt dafür, dass kein Wasser stoff aus dem Seitenkanalverdichter in die Umgebung gelangen kann, was bei spielsweise zu einer Reaktion mit Sauerstoff und einem Knallgaseffekt führen kann, der wiederum den Seitenkanalverdichter und/oder weitere Bauteile des Gesamtfahrzeugs schädigen könnte. Zudem weist der Antrieb 6 einen um die Drehachse 4 umlaufenden Stator 11 auf, wobei sich der Stator 11 außerhalb um laufend um den Rotor 17 befindet und/oder sich der Rotor 17 innerhalb des In nendurchmessers des Stators 11 befindet. Durch eine Bestromung des Stators 11 kann der Rotor 17 angetrieben werden und insbesondere in eine Rotationsbe wegung versetzt werden. Eine Kapselung des Stators 11 gegen Umwelteinflüsse und/oder gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung von außen wird durch den Ein satz eines Statorgehäuses 39 erzielt. Das Rotorgehäuse 41 und/oder das Stator gehäuse 39 können dabei am Gehäuse 3 des Seitenkanalverdichters 1 fixiert sein, insbesondere an das Gehäuse angeschraubt sein.
Fig. 2 zeigt einen in Fig. 1 mit A-A und B-B bezeichneten Schnitt der Laufrad schalen 10, 12 des Verdichterrads 2 und der Förderzellen 5 mit der Ausgleichs scheibe 13. Zudem ist in Fig. 2 die Symmetrieachse 48 gezeigt, die radial zur Drehachse 4 und durch das Laufrad 2 verläuft. Dabei verläuft der radial um die Drehachse 4 umlaufende Spalt 52 axial zur Drehachse 4 und auf Höhe der Sym metrieachse 48 und zumindest annähernd parallel zu dieser zwischen den Lauf radschalen 10, 12. Die Ausgleichsscheibe 13 ist dabei in diesem Spalt 52 ange ordnet und füllt diesen zumindest nahezu vollständig aus. Jeweils zwischen zwei Schaufelblättern 55 wird dabei eine Förderzelle 5 ausgebildet. Diese mindestens eine Öffnung 53 in der jeweiligen Laufradschale 10, 12, die zumindest annähernd axial zur Drehachse 4 verläuft, verbindet dabei die Seitenkanäle 19, 21. Ferner kann das gasförmige Medium vom Verdichterrad 2 in den jeweiligen Seitenkanal 19, 21 einströmen und/oder aus dem jeweiligen Seitenkanal 19, 21 in die jewei lige Förderzelle 5 des Verdichterrads 2 zurückströmen kann. Weiterhin weist auch die Ausgleichsscheibe 13 mindestens zwei Öffnungen 53 aufweist, die zu mindest annähernd axial zur Drehachse 4 verlaufen, wobei die jeweilige Öffnung 53 der Ausgleichsscheibe 13 zumindest annähernd vollständig von den jeweili gen Öffnungen 53 in den Laufradschalen 10, 12 überdeckt wird. Auf diese Weise kann mittels der jeweiligen Förderzellen 5 in den Laufradschalen 10, 12 und der Öffnungen 53 in der Ausgleichsscheibe 13 eine fluidische Verbindung der Seiten kanäle 19, 21 axial zur Drehachse 4 durch das Verdichterrad 2 hergestellt wer den.
Die Symmetrie der V-förmigen Ausformung der Schaufelblätter 55 wird dabei symmetrisch durch die Symmetrieachse 48 gespiegelt. Sobald das Verdichterrad 2 mittels des Antriebs 6 aus einer Stillstands- Position in Rotationsbewegung ver setzt wird, drückt eine jeweilige Stirnseite der Schaufelblätter 55 das sich in der Förderzelle 28 befindliche gasförmige Medium, insbesondere Wasserstoff, in ei ner Drehrichtung vom Bereich der Gas- Einlassöffnung 14 zum Bereich der Gas- Auslassöffnung 16, wobei eine Beschleunigung und/oder Verdichtung des gas förmigen Mediums erfolgt. Dabei wird das gasförmige Medium in Drehrichtung aus der Förderzelle 28 von der Symmetrieachse 48 weg in den jeweiligen Seiten kanal 19, 21 gedrückt, wobei das gasförmige Medium in die Zirkulationsströmung 50 versetzt wird und wobei das mit einer Geschwindigkeit aus der Förderzelle 28 ausströmende gasförmige Medium im jeweiligen Seitenkanal 19, 21 auf ein lang samer strömendes gasförmiges Medium trifft. Diese Seitenkanalströmung des Mediums strömt dabei langsamerals die Förderzellenströmung des Mediums- wobei sich aufgrund der resultierenden Zentrifugalkräfte- Differenz eine Kraft vom Medium in der Förderzelle 28 auf das Medium im Seitenkanal 19, 21 ergibt. Da bei findet ein Impulsaustausch zwischen den beiden Medien statt und es wird durch das in Zirkulationsströmung 50 versetzte gasförmige Medium Energie durch Impulsaustausch auf einen Förderstrom, wobei es sich insbesondere um das sich im jeweiligen Seitenkanal 19, 21 befindliche stillstehende gasförmige Medium handelt, übertragen. Hierbei erfolgt die Umwandlung von Geschwindig keitsenergie in Druckenergie. Die Energieübertragung findet dabei auf der ge samten Länge des jeweiligen umlaufenden Seitenkanals 19, 21 mehrfach statt und ist von der Anzahl der Schaufelblätter 55 und Förderzellen 5 abhängig. So mit ist ein großer Energieübertrag zwischen dem in der Förderzelle 28 befindli chen gasförmigen Medium und dem im jeweiligen Seitenkanal 19, 21 befindli chen gasförmigen Medium möglich und ein Druckaufbau erfolgt linear über den Umfang durch Impulsaustausch
An der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters 1 mit dem mindestens einen Seitenkanal 19, 21 ist zudem vorteilhaft, dass bei einem Aus fall des Seitenkanalverdichters 1 weiterhin das gasförmige Medium durch den mindestens einen Seitenkanal 19, 21 strömen kann, auch wenn das Verdichter rad 2 stillsteht und somit nicht die Gefahr besteht, dass die Förderung durch das Brennstoffzellensystem 37 aufgrund des ausgefallenen Seitenkanalverdichters 1 vollständig zum Erliegen führt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein hoher Druck und eine hohe Förderrate des zu fördernden Mediums im Brennstoffzellen system 37 beibehalten wird, insbesondere durch eine weitere Komponente des Brennstoffzellensystems 37.
Fig. 3 zeigt in Fig. 2 mit C-C bezeichnete Seitenansicht der Ausgleichsscheibe 13 mit mindestens zwei Öffnungen 53. Dabei weist die Ausgleichsscheibe 13 eine innere Kontur 49 auf, die ringförmig um die Drehachse 4 verläuft. Des Wei teren weist die Ausgleichsscheibe 13 eine äußere Kontur 51 auf, die ringförmig um die Drehachse 4 verläuft und gegenüber der inneren Kontur 49 einen größe ren Durchmesser aufweist. Die innere Kontur 49 ist dabei mittels mindestens zwei Verbindungsrippen 62 mit der äußeren Kontur 51 verbunden, wobei die Ver bindungsrippen 62 zumindest nahezu radial zur Drehachse 4 verlaufen. Die An ordnung der Verbindungsrippen 62 ist dabei umlaufend um die Drehachse 4 zwi schen der inneren Kontur 49 und der äußeren Kontur 51. Zwischen den Verbin dungsrippen 62 bildet die Ausgleichsscheibe 13 mehrere Öffnungen 53 aus. Da bei befinden sich die in Richtung der Drehachse 4 verlaufenden Stirnflächen 54, 56 der Verbindungsrippen 62 in Anlage mit den in Richtung der Drehachse 4 ver laufenden Stirnflächen 58, 60 der Schaufelblätter 55 der jeweiligen Laufradschale 10, 12.
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdich- terrads 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbei spiel befindet sich auch der radial um die Drehachse 4 umlaufende Spalt 52 axial zur Drehachse 4 zwischen den Laufradschalen 10, 12 befindet, wobei jedoch das Zwischenelement 25 als mindestens ein um die Drehachse 4 umlaufender O- Ring 25 ausgeführt ist und wobei dieser mindestens eine O-Ring 25 in einem ver größerten Spaltbereich 28 des Spalts 52 angeordnet ist. Der vergrößerte Spalt bereich 28 wird dabei durch eine Vergrößerung des Spalts 52 in den Laufrad schalen 10, 12 erzielt. Auf diese Weise kann ein möglicher Leckagestrom der or thogonal zur Drehachse 4 und zwischen den beiden Laufradschalen 10, 12 hin durch verläuft verhindert werden. Dies bietet den Vorteil, dass sich keine Strö mungsverluste im Verdichterraum 30 einstellen und sich somit der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters 1 erhöhen lässt.
Dabei kann sich ein äußerer O-Ring 25a und ein innerer O-Ring 25 b in jeweils dem vergrößerten Spaltbereich 28 zwischen den Laufradschalen 10, 12 befin den, wobei mittels des Einsatzes der beiden O-Ringe 25a, b eine effektive pneu matische und/oder hydraulische Trennung der Seitenkanäle 19, 21 erzielen lässt. Die O-Ringe 25a, b sind dabei derart elastisch ausgeführt, dass sich diese zu sammenpressen lassen und elastisch wieder in die ursprüngliche Form zurück weiten. Auf diese Weise kann beim Auf diese Weise kann die Gesamt-Breite 45 des Verdichterrads 2 beim Durchlaufen unterschiedlicher Temperaturbereich der- art angepasst werden, dass die funktionsrelevanten Spaltmaße 36, 38 gleichblei bend sind oder sich zumindest nahezu nicht verändern, unabhängig von der Temperatur und/oder den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffzienten der weiteren Bauteile des Seitenkanalverdichters 1.
Fig. 5 zeigt einen in Fig. 4 mit A-A und B-B bezeichneten Schnitt der Laufrad schalen 10, 12 des Verdichterrads 2 und der Förderzellen 5 ohne die entspre chende Ausgleichsscheibe 13. Dabei befindet in der dargestellten Schnittebene nur der Spalt 52 zwischen den jeweiligen Laufradschalen 10, 12 wobei der Spalt 52 zumindest parallel zur Symmetrieachse 48 verläuft. Der Abstand zwischen den Laufradschalen 10, 12 wird dabei mittels des in dieser Ebene nicht sichtba ren mindestens einen O-Rings 25 gehalten. Dabei werden die jeweiligen Laufrad schale 10, 12 mittels des jeweiligen Mitnehmerflansches 22, 24 zumindest annä hernd parallel zur Drehachse 4 gegeneinander gedrückt und kommen über den mindestens einen O-Ring 25 zumindest mittelbar miteinander in Anlage, wobei sich jedoch der Spalt 52 und/oder der vergrößerte Spaltbereich 28 zwischen den Mitnehmerflanschen 22, 24 ausbildet (gezeigt in Fig. 4).
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdich terrads gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dabei befindet sich der radial um die Drehachse 4 umlaufende Spalt 52 axial zur Drehachse 4 zwischen den Laufradschalen 10, 12, wobei das Zwischenelement 57 als mindestens ein um die Drehachse 4 umlaufender schlauchartiger Ring 57 ausgeführt ist, der in sei nem Inneren einen Hohlraum 59 aufweist, wobei dieser mindestens eine schlauchartige Ring 57 in dem vergrößerten Spaltbereich 28 des Spalts 52 ange ordnet ist. Aufgrund der Ausführungsform des schlauchartigen Rings 57 mit dem Hohlraum 59 kann eine größere temperaturbedingte Änderung der Breite der je weiligen Laufradschalen 10, 12 ausgeglichen werden, so dass sich die Gesamt- Breite 45 des Verdichterrads 2 nicht ändert oder dass sich die Gesamt-Breite 45 des Verdichterrads 2 nur derart ändert, dass die funktionsrelevanten Spaltmaße 36, 38 zumindest nahezu gleich bleiben und sich nicht derart stark vergrößern oder verkleinern, dass die Kapselung der Seitenkanäle 19, 21 aufgehoben wird oder das Verdichterrad 2 mit dem Gehäuse 3 in Kontakt kommt.
Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdich- terrads 2 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Dabei befindet sich jeweils eine Aussparung 31 axial zur Drehachse 4 zwischen den Laufradschalen 10, 12, wobei ein Federelement 35, insbesondere eine Tellerfeder 35, in dieser mindes tens einen Aussparungen 31 angeordnet ist. Diese mindestens eine Aussparung 31 ist dabei umlaufend um die Drehachse 4 zumindest teilweise in jeder der bei- den Laufradschalen 10, 12 ausgebildet, wobei die jeweilige Aussparung 31 in
Richtung der Symmetrieachse 48 jeweils versetzt in der ersten Laufradschale 10 im Bezug zur zweiten Laufradschale 12 angeordnet sein kann. Auf diese Weise kann eine Führung des Federelements 35 im Verdichterrad 2 erzielt werden. Das Federelement 35 drückt dabei die Laufradschalen 10, 12 mittels einer Federkraft axial voneinander weg und gegen den jeweiligen Mitnehmerflansch 22, 24. Auf diese Weise kann zusätzlich zum durch die Elastizität des mindestens einen O- Ring 25 hervorgerufenen Kraft eine weitere Federkraft auf die Laufradschalen 10, 12 wirken.

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 umlaufenden 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 (5) aufweist, und mit jeweils ei ner am Gehäuse (3) ausgebildeten Gas- Einlassöffnung (14) und einer Gas-Auslassöffnung (16), die über den Verdichterraum (30), insbeson dere den mindestens einen Seitenkanal (19, 21), fluidisch miteinander verbunden sind, wobei das Gehäuse (3) radial zur Drehachse (4) jeweils eine erste und zweite Stirnfläche (32, 34) aufweist, die jeweils dem Ver dichterrad (2) zugewandt ist und wobei sich im Bereich der Spaltflächen jeweils ein erstes und zweites funktionsrelevantes Spaltmaß (36, 38) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (2) mehr teilig ausgebildet ist und eine erste Laufradschale (10) und eine zweite Laufradschale (12) aufweist, wobei diese insbesondere axial zur Dreh achse (4) nebeneinander angeordnet sind und jeweils zumindest teil weise aus einem Kunststoff hergestellt sind.
2. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (2) zusätzlich zu den Laufradschalen (10, 12) mindestens ein Zwischenelement (13, 25, 57) aufweist, wobei sich das Zwischenelement (13, 25, 57) zwischen der ersten Laufradschale (10) und der zweiten Laufradschale (12) befindet.
3. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (2) mittels mindestens zwei umlaufen der Mitnehmerflansche (22, 24) mit einer Antriebswelle (9) verbunden ist, wobei der jeweilige Mitnehmerflansch (22, 24) mit seinem Innen durchmesser radial zur Drehachse (4) kraftschlüssig, insbesondere mit tels eines Pressverbands, mit der Antriebswelle (9) verbunden ist und wobei der jeweilige Mitnehmerflansch (22, 24) zumindest annähernd axial zur Drehachse (4) mit der jeweiligen Laufradschale (10, 12) in An lage steht.
4. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerflansche (22, 24) derart auf der Antriebswelle (9) fixiert sind, dass diese jeweils eine axial zur Drehachse (4) verlaufende Vorspannkraft auf die jeweilige Laufradschale (10, 12) und/oder das mindestens eine Zwischenelement (13, 25, 57) ausüben.
5. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Mitnehmerflansch (22, 24) mindestens eine zu mindest annähernd axial zur Drehachse (4) verlaufende Fixierbohrung (20a, b, c, d) aufweist, in die mindestens ein axial zur Drehachse (4) ver laufender Fixierzapfen (18a, b, c, d) der jeweiligen Laufradschale (10,
12) hineinragt.
6. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (13) als eine Ausgleichs scheibe (13) ausgeführt ist, wobei die Ausgleichsscheibe (13) zumindest teilweise aus einem elastischen Werkstoff hergestellt ist.
7. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsscheibe (13) mindestens zwei Öffnungen (53) aufweist, die zumindest annähernd axial zur Drehachse (4) verlaufen, wobei mittels der jeweiligen Öffnung (53) eine fluidische Verbindung der Seitenkanäle (19, 21) axial zur Drehachse (4) durch die jeweilige Förder zelle (5) im Verdichterrad (2) hergestellt wird.
8. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) ein Gehäuse- Oberteil (7) und ein Gehäuse-Unterteil (8) aufweist, wobei das Gehäuse- Oberteil (7) einen um die Drehachse (4) umlaufenden zylindrischen Kra gen (23) und das Gehäuse-Unterteil (8) einen um die Drehachse (4) um laufenden zylindrischen Ansatz aufweist (26) und dass der Kragen (23) den Ansatz (26) umgibt.
9. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein radial zur Drehachse (4) verlaufender Ausgleichsspalt (43) axial zur Drehachse (4) zwischen dem Ansatz (26) des Gehäuse- Unterteils (8) und dem Gehäuse-Oberteil (7) befindet und/oder dass sich eine radial zur Drehachse (4) verlaufende Einstellscheibe (29) axial zur Drehachse (4) zwischen einer Anlagefläche (33) des Kragens (23) des Gehäuse-Oberteils (7) und einer Frontfläche des Gehäuse-Unterteils (8) befindet, wobei insbesondere mittels der Einstellscheibe (29) mindes tens jeweils das Spaltmaß (36, 38) zwischen dem Verdichterrad (2) und dem Gehäuse (3) eingestellt werden kann.
10. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein radial um die Drehachse (4) umlaufen der Spalt (52) axial zur Drehachse (4) zwischen den Laufradschalen (10, 12) befindet, wobei das Zwischenelement (25) als mindestens ein um die Drehachse (4) umlaufender O-Ring (25) ausgeführt ist und wobei dieser mindestens eine O-Ring (25) in einem vergrößerten Spaltbereich (28) des Spalts (52) angeordnet ist.
11. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein radial um die Drehachse (4) umlaufen der Spalt (52) axial zur Drehachse (4) zwischen den Laufradschalen (10, 12) befindet, wobei das Zwischenelement (57) als mindestens ein um die Drehachse (4) umlaufender schlauchartiger Ring (57) ausgeführt ist, der in seinem Inneren einen Hohlraum (59) aufweist, wobei dieser min destens eine schlauchartige Ring (57) in einem vergrößerten Spaltbe reich (28) des Spalts (52) angeordnet ist. 12. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Aussparung (31) axial zur Drehachse (4) zwischen den Laufradschalen (10, 12) befindet, wobei ein Federelement (35), insbesondere eine Tellerfeder (35), in die ser mindestens einen Aussparung (31) angeordnet ist, wobei das Fe derelement (35) die Laufradschalen (10,
12) mittels einer Federkraft axial voneinander weg und gegen den jeweiligen Mitnehmerflansch (22,
24) drückt.
13. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse-Oberteils (7) und/oder das Ge häuse-Unterteil (8) und/oder die Mitnehmerflansche (22, 24) und/oder die Antriebswelle (9) zumindest teilweise aus einem metallischen Werk stoff hergestellt sind, wobei die Bauteile einen zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
14. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff Aluminium und/oder Stahl und/oder eine metallische Legierung ist.
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