WO2021121800A1 - Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder verdichtung eines gasförmigen mediums - Google Patents

Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder verdichtung eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2021121800A1
WO2021121800A1 PCT/EP2020/081883 EP2020081883W WO2021121800A1 WO 2021121800 A1 WO2021121800 A1 WO 2021121800A1 EP 2020081883 W EP2020081883 W EP 2020081883W WO 2021121800 A1 WO2021121800 A1 WO 2021121800A1
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axis
rotor
rotation
side channel
compressor
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PCT/EP2020/081883
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Michael Kurz
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

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.
  • Hydrogen gas flows must be controlled, especially in vehicles with fuel cell drives.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously, as is the case with the injection of liquid fuel, but the gaseous medium is taken from at least one high-pressure tank and fed to an ejector unit via an inflow line of a medium-pressure line system.
  • This ejector unit leads the gaseous medium via a connecting line of a low-pressure line system to a fuel cell. After the gaseous medium has flowed through the fuel cell, it is returned to the ejector unit via a return line.
  • the side channel compressor can be switched in between, which technically supports the gas recirculation in terms of flow and efficiency.
  • side channel compressors are used to support the flow build-up in the fuel cell drive, in particular 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 from the vehicle battery when they are 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 housing and a drive, the housing having an upper housing part and a lower housing part. Furthermore, a compressor chamber running around an axis of rotation is arranged in the housing and has at least one circumferential side channel.
  • a compressor wheel which is arranged rotatably about the axis of rotation and is driven by the drive, the compressor wheel on its circumference in the area Has the compressor chamber arranged impeller blades.
  • the side channel compressor known from DE 102010 035 039 A1 each has a gas inlet opening formed on the housing and a gas outlet opening which are fluidly connected to one another via the compressor chamber, in particular the at least one side channel.
  • the side channel compressor has the drive, which has a stator which runs in the form of a sleeve around the axis of rotation, and in the interior of which a rotor arranged on a rotor shaft is arranged.
  • the rotor shaft is supported by means of two ball bearings each arranged axially to the end faces of the rotor.
  • the side channel compressor known from DE 102010035 039 A1 can use the stator as a heating element.
  • the side channel compressor known from DE 102010035 039 can have certain disadvantages.
  • the compressor wheel is disc-shaped and has a large diameter radially to the axis of rotation and thus requires a lot of installation space radially to the axis of rotation, while the compressor wheel is made narrow axially to the axis of rotation and thus requires little installation space radially to the axis of rotation.
  • the drive shown with the stator arranged outside the rotor has a small diameter radially to the axis of rotation and thus requires little installation space radially to the axis of rotation.
  • the drive requires a lot of installation space axially to the axis of rotation. Due to these contradicting space requirements of the drive and the compressor wheel, a bulky and space-consuming overall system of the side channel compressor results in a combination and / or assembly of the two components, which cannot be implemented in a compact design.
  • the side channel compressor known from DE 10 2010035 039 has the disadvantage that the thermal energy when the stator is controlled and / or used as a heating element, the thermal energy has to travel a long way over a large number of components before it reaches the Area in which the moving parts can freeze to one another over ice bridges. A lot of energy is lost through heat losses, since a large area is charged with thermal energy in which no ice bridges can form and / or in which there are no moving parts. Disclosure of the Invention Advantages of the Invention
  • a side channel compressor for a fuel cell system for conveying and / or compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, is provided with the features of the independent claims.
  • the side channel compressor has a drive with a stator and a rotor, the stator and / or the rotor being arranged along a first and / or second axis of symmetry, in particular the compressor wheel.
  • the drive can be implemented as a component which is narrow in the direction of the axis of rotation and has a small diameter.
  • the installation space for the drive in the side channel blower can thus be reduced, but also the installation space required for the side channel blower in the overall vehicle.
  • such a design of the drive according to the invention allows a similar installation space to the side channel compressor to be achieved, with both components, the drive and the side channel compressor now being built relatively narrow, but with a large diameter. This is especially true in comparison to the prior art, in which the drive is relatively wide, but only has a small diameter, whereas the sokanalverdich ter is relatively narrow, but has a relatively large diameter. Due to the design of the drive according to the invention, a compact and space-saving integration of the drive and side channel compressor components can be achieved. The compact and space-saving design of the Sokanalver poet is realized through the smallest possible surface area in relation to the volume.
  • the compact design of the side channel compressor and / or the drive offers the advantage that the side channel compressor and / or the drive can cool down at low ambient temperatures, especially in the range below 0 ° C, takes place more slowly and thus the occurrence of ice bridge formation can be delayed longer. Due to the measures listed in the subclaims, advantageous developments of the side channel compressor specified in claim 1 are possible, please include. The subclaims relate to preferred developments of the invention.
  • the stator and / or the rotor are arranged in an area of the compressor wheel facing away from an axis of rotation, in particular outside an outer diameter of the compressor wheel, with the rotor and / or a receiving ring of the rotor in the area of a first or second functionally relevant gap are located where the receiving ring runs around the axis of rotation in the form of a sleeve.
  • the heat loss that occurs when the drive is electrically powered in the stator and / or rotor can be used more efficiently in order to be able to thaw and thus dissipate ice bridges that are in the area of the first and / or second functionally relevant gap more quickly.
  • Such ice bridges can make starting, in particular a cold start, of the fuel cell system, in particular the side channel compressor, more difficult and / or completely prevent it.
  • this can still lead to a blockage of the drive if the ice bridge is too large, which can damage the rotating parts, in particular the Ver denser wheel, and / or make starting the system difficult or delayed or completely is prevented.
  • flaking ice crystals from the ice bridges in a stack of the fuel cell system can damage a membrane. Due to the inventive design of the side channel compressor and / or the drive, the stator and / or the rotor can be arranged closer and / or directly in the immediate vicinity of the respective first and / or second gap.
  • a cold start procedure of the side channel blower can be accelerated, especially at temperatures below 0 ° C, and / or the ice bridges can be defrosted and removed more sustainably and more quickly, which means that the entire vehicle is ready for use and ready to drive more quickly and thereby the service life of the side channel blower and the
  • the entire fuel cell system can be improved, since damaging ice bridges can be removed faster and more efficiently.
  • the stator and / or the rotor are in an area between the axis of rotation and the compressor wheel, in particular an inner diameter of the compressor wheel arranged.
  • the rotor and / or a receiving ring of the rotor are located in the area of a third or fourth functionally relevant gap, the receiving ring running around the axis of rotation in the form of a sleeve.
  • the stator and / or the rotor can be arranged closer and / or directly in the immediate vicinity of the respective third and / or fourth gap.
  • a cold start procedure of the side channel blower can be accelerated, especially at temperatures below 0 ° C, and / or the ice bridges can be defrosted and removed more sustainably and more quickly, making the entire vehicle ready for use and ready to drive faster and thereby reducing the service life of the side channel blower and the whole Fuel cell system can be improved because damaging ice bridges are removed faster and more efficiently.
  • the Sta tor is designed as a sleeve around the axis of rotation.
  • the advantage can be achieved that a compact arrangement of the stator in the side channel compressor can be achieved.
  • this embodiment offers the advantage that the drive requires less electrical energy to drive the compressor wheel, which means that the operating costs of the side channel compressor and thus of the fuel cell system can be reduced.
  • the rotor has several rotor plates that are arranged circumferentially around the axis of rotation, the rotor plates being connected in particular positively and / or non-positively and / or one materially to the receiving ring and / or the compressor wheel .
  • this offers advantages when assembling the rotor, since the rotor, in particular the rotor plates, can be preassembled on the mounting ring, whereby the assembly time and the assembly costs as well as a possible repair time and repair costs in the event of the necessary replacement of the rotor can be reduced .
  • This offers the advantage of reduced manufacturing costs and reduced operating costs of the side box. nal compressor.
  • such an arrangement of the rotor plates offers the advantage that the rotor plates are mounted at a small distance from one another and therefore there is no damage to the sensitive rotor plates, which are in particular designed as magnetic plates, when passing through a large temperature range due to internal stress and / or different thermal expansion coefficients of the rotor and the receiving ring comes.
  • the receiving ring in particular the material of the receiving ring, has a high thermal conductivity and / or a high inductive resistance.
  • the advantage can be achieved that the receiving ring can be heated either on the basis of thermal radiation generated by the drive or by an inductive current supply and / or a magnetic field, whereby a faster heating of the side channel compressor, in particular in the area of the first, second, third and / or fourth function-relevant gap.
  • a cold start procedure of the side channel blower can be accelerated, especially at temperatures below 0 ° C, and / or the ice bridges can be defrosted and removed more sustainably and more quickly, making the entire vehicle ready for use and ready to drive faster and thereby reducing the service life of the side channel blower and the
  • the entire fuel cell system can be improved, since damaging ice bridges can be removed faster and more efficiently.
  • the receiving ring has on its end faces extending axially to the axis of rotation in each case an inner flange extending in the form of a disk around the axis of rotation, this respective inner flange each forming a compressor wheel-side surface extending radially to the axis of rotation in the area of the first or second gap.
  • the service life of the assembly assembly of the compressor wheel with the receiving ring can be increased in this way.
  • there is at least one first washer and / or at least one second washer in the housing in particular in the area of the end faces of the housing facing the gaps, the washers each running in a disk-shaped circumference around the axis of rotation.
  • the material of the intermediate disks can have a higher thermal conductivity and / or a higher strength compared to the material of the rest of the housing.
  • this offers the advantage that faster and more efficient heat transfer can be implemented in the area of the function-relevant gaps, which means that ice bridges that occur in these areas can be thawed and removed more quickly, especially when the vehicle is cold-started.
  • due to the material properties of the intermediate disks damage to the side channel compressor, for example by abrasive particles, can be reduced due to the service life, whereby the service life of the side channel compressor can be improved.
  • a spacer sleeve is located axially to the axis of rotation between the upper housing part and the lower housing part and / or is in contact with these axially to the axis of rotation.
  • the advantage can be achieved that the stator space can be encapsulated without the need for additional components, such as a stator housing, for example.
  • 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 compressor.
  • spacer sleeve it is possible to compensate for manufacturing tolerances of the upper housing part and / or the lower housing part in such a way that the width of the functionally relevant gap and / or the distance axially to the axis of rotation of the compressor wheel to the upper housing part and / or The lower part of the housing can be adjusted using the spacer sleeve.
  • spacer sleeves with different thicknesses running in the direction of the axis of rotation can either be used during assembly, or spacer sleeves can be machined shortly before or during the assembly process. Post-processing of the upper part of the housing and / or the lower part of the housing is no longer necessary. In this way, the assembly time and / or the assembly costs can be reduced.
  • the stator is energized without a rotating field building up between the stator and the rotor and thus no or very little rotational movement of the rotor about the axis of rotation occurs.
  • the stator is warmed up when the coils of the stator are briefly energized, in particular due to the resulting power loss, which is released as thermal energy. This thermal energy then spreads from the stator to the other components of the side channel compressor.
  • an advantageous method can be used to energize the stator in such a way that inductive heating of the rotor takes place, with heat energy being transferred in particular from the rotor to the compressor wheel and with the heat from the rotor in a flow direction spreads in the region of the axial ends of the inner limiting ring and of the at least one outer annular collar of the compressor wheel.
  • the advantage can be achieved that when the rotating field is not present, the rotor is heated by the energization of the stator, the effect of induction in particular being used for this purpose.
  • the rotor which consists in particular of a thermally conductive material, can be heated, which is particularly advantageous in the case of a cold start procedure for the side-channel compressor and / or the vehicle. In doing so, the rotor warms up and transfers the thermal energy to the compressor wheel, for example due to its thermal conductivity. The thermal energy transfer takes place in one flow direction in the area between the compressor wheel and the housing in which ice bridges have formed. These ice bridges arise due to an existing liquid, in particular water, which forms during operation of the fuel cell system and which in particular collects in the area with a small gap between the compressor wheel and the housing.
  • the liquid freezes and ice bridges form.
  • These ice bridges can damage the side channel compressor when the side channel blower is started up and / or prevent rotation of the compressor wheel in the housing by blocking.
  • the compressor wheel starts up it can break away, releasing sharp-edged pieces of ice which, in the conveying direction, are components behind the side channel compressor. ter and / or a fuel cell, in particular the membrane of the fuel cell can damage.
  • the compressor wheel and in particular the area of the inner limiting ring and the outer annular collar, both of which form a small distance, in particular a small gap, from the housing are heated.
  • the ice bridges melt and the liquid changes from a solid to a liquid state of aggregation and can be discharged, for example by means of a purge valve and / or drain valve present in the fuel cell system. In this way, the service life of the side channel compressor and / or the fuel cell system can be increased.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a section of the side channel compressor, denoted by A-A in FIG. 1, in an enlarged view
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention according to a second embodiment
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a side channel compressor 1 according to the invention according to a first exemplary embodiment.
  • the side channel compressor 1 has a housing 3, with a compressor wheel 2 located in the housing 3, which is arranged rotatably about an axis of rotation 4 and is at least indirectly driven by a drive 6.
  • the compressor wheel 2 has delivery cells 5 arranged on its circumference in the area of a compressor chamber 30.
  • the housing 3 has a gas inlet opening 14 and a gas outlet opening 16, which are fluidically connected to one another via the compressor chamber 30, in particular the at least one side channel 19, 21.
  • the side channel compressor 1 is connected to a fuel cell system 31 by means of the gas inlet opening 14 and / or the gas outlet opening 16, the side channel compressor 1 is used in particular as a component of an anode circuit of the fuel cell system 31.
  • the side channels 19, 21 run in the housing 3 in the direction of the axis of rotation 4 in such a way that they run axially to the delivery cell 5 on both sides.
  • the side channels 19, 21 can run circumferentially around the axis of rotation 4 at least in a partial area of the housing 3, an interruption area being formed in the housing 3 in the partial area in which the side channels 19, 21 are not formed in the housing 3 .
  • FIG. 1 shows that a first axis of symmetry 26, in particular the flow contour, of the compressor wheel 2 runs orthogonally to the axis of rotation 4.
  • Another not shown (shown in Fig. 2) second axis of symmetry 25 extends orthogonally to the first axis of symmetry 26 and to the axis of rotation 4, the first axis of symmetry 25 and the second axis of symmetry 26 forming a normal plane 25 extending orthogonally to the axis of rotation 4 (shown in Fig . 2).
  • the first side channel 19 is at least fluidically limited on the side facing away from the axis of rotation 4 by a first functionally relevant gap 32, the gap 32 being such a small distance between the housing 3, in particular a housing - Upper part 7, and the compressor wheel 2 is formed and wherein the first gap 32 extends circumferentially around the axis of rotation 4 in the shape of a disk.
  • Another functionally relevant gap 34 delimits the second side channel 21 on the side facing away from the axis of rotation 4, the second gap 34 being formed by such a small distance between the housing 3, in particular a lower housing part 8, and the compressor wheel 2.
  • an at least fluidic delimitation of the respective side channel 19, 21 takes place on the side facing the axis of rotation 4 by means of a third and fourth gap 36,
  • the gaps 32, 34, 36, 38 which are also formed between the housing 3 and the compressor wheel 2.
  • the gaps 32, 34, 36, 38 must be dimensioned correspondingly small.
  • the drive 6 has a stator 11 and a rotor 17, the stator 11 and / or the rotor 17 being arranged along the first and / or second axis of symmetry 26, 28.
  • the stator 11 and / or the rotor 17 are in a region between the axis of rotation 4 and the Compressor wheel 2, in particular an inner diameter 24 of the compressor wheel 2, the rotor 17 and / or a receiving ring 9 of the rotor 17 being in the area of a third or fourth functionally relevant gap 36, 38.
  • the stator 11 is designed in the shape of a sleeve around the axis of rotation 4.
  • the receiving ring 9 is designed as a sleeve-shaped component that encircles the axis of rotation 4 and is, for example, positively, cohesively or non-positively connected to the compressor wheel 2, in particular the inner diameter 24 of the compressor wheel 2, the receiving ring 9 also being connected along the first and / or second axis of symmetry 26, 28 is arranged.
  • the rotor 17 can be arranged on the inner diameter of the receiving ring 9.
  • the receiving ring 9, in particular the material of the receiving ring 9, has a high thermal conductivity and / or a high inductive resistance.
  • FIG. 1 shows that the compressor wheel 2 has a first radius 13 and a second radius 15, the second radius 15 being smaller than the first radius 13 and the center M of the radii 13, 15 on the axis of rotation 4 lies.
  • the first and second gaps 32, 34 are located in the area of the first radius 13 and the third and fourth gaps 36, 38 in the area of the second radius 15.
  • the area of the first radius 13 can also be used as the outer ring of the compressor wheel 2 and the area of the second Radius 15 are referred to as the inner ring of the Ver dense wheel 2.
  • the compressor wheel 2 has in the region of the second radius 15 a sleeve-shaped extension 10, which runs in a sleeve-shaped manner circumferentially to the axis of rotation 4 and axially to this.
  • the compressor wheel 2 is mounted on a bearing journal 12 via the shoulder 10 via a first bearing 27 and / or a second bearing 47, the bearing journal 12 being formed in particular in the lower housing part 8.
  • the bearings 27, 47 can in particular be ball bearings 27, 47, preferably deep groove ball bearings 27, 47.
  • the stator 11 is encompassed by a pot-shaped stator housing 39, the stator housing 39 having an opening on the side facing away from the lower housing part 8 in the direction of the axis of rotation 4, the stator housing 39 being closed by means of a stator plate 43 in the area of the opening can.
  • the components 11, 39, 43 can at least almost completely in the direction of The axis of rotation 4 can be inserted into a recess in the housing 3, the opening being designed as a bore extending around the axis of rotation 4 in the region of the housing 3.
  • the area within the stator housing 39 on the side facing the axis of rotation 4 in which the stator 11 is located is referred to as the stator space 35.
  • the area outside the stator housing 39 on the side facing away from the axis of rotation 4 in the housing 3, in which the rotor 17 is located, is referred to as the rotor space 33, the rotor space 33 being at least fluidly separated from the side channels 19, 21 .
  • the stator housing 39 is ideally made of a plastic in order to ensure unaffected action between tween the rotor 17 and the stator 10, the stator plate 43 preventing the stator housing 39 from being pushed out by the overpressure in the pneumatic area.
  • the electrical components of the stator 11 are protected by means of the stator plate 43 against dirt and moisture from the outside ge.
  • the stator 10 can be fixed within the stator housing 39 in a force-fitting or form-fitting manner.
  • first sealing element 37 between the upper housing part 7 and the stator housing 39, whereby an encapsulation of the rotor space 33 against moisture and / or contamination from outside the side channel compressor 1 is achieved.
  • second sealing element 41 which is located between the upper housing part 7 and the lower housing part 8, an additional encapsulation of the area located inside the housing, in particular the side channels 19, 21, against moisture and / or contamination from outside the Side channel compressor 1 achieved.
  • a in Figure 1 with A-A designated section of the sokanalver poet is shown in an enlarged view.
  • the rotor 17 has several rotor plates 17, which are arranged circumferentially around the axis of rotation 4, the rotor plates 17 in particular form-fitting and / or non-positive and / or cohesive with the receiving ring 9 and / or the compressor wheel 2 are connected.
  • a circumscribing circumference 18 is shown that encircles the axis of rotation 4 and is located between the stator 11 and the rotor 17, wherein the circumference 18 can be located in the area of the stator housing 39 (shown in FIG. 1).
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention according to a second embodiment.
  • the stator 11 and / or the rotor 17 are arranged in an area of the compressor wheel 2 facing away from the axis of rotation 4, in particular outside an outer diameter of the compressor wheel 2 Area of a first or second functionally relevant gap 32, 34, the receiving ring 9 running around the axis of rotation 4 in a sleeve-like manner.
  • the inner diameter of the receiving ring 9 is connected to the outer diameter of the compressor wheel 2 in a form-fitting, materially or force-fitting manner.
  • the rotor 17 can be attached to the outer diameter of the receiving ring 9.
  • the stator 11 has a larger diameter than the rotor 17 and is located on the side of the rotor 17 facing away from the axis of rotation 4, in particular in the housing 3 the axis of rotation 4 revolve around the stator sleeve 20, in particular on its outer diameter.
  • the stator sleeve 20 is located between the stator 11 and the rotor 17 and causes a fluidic separation of the rotor space 33 from the stator space 35.
  • FIG. 3 also shows that at least one first intermediate disk 40a, b and / or at least one second intermediate disk 42a, b is located in the housing 3, in particular in the area of the end faces of the housing 3 facing the gaps 32, 34, 36, 38 are located, the intermediate disks 40, 42 each extending in the form of a disk around the axis of rotation 4.
  • These intermediate discs 40, 42 can be connected to the housing 3 in a form-fitting, materially or force-fitting manner.
  • the at least one first intermediate disk 40 has a larger radius than the at least second intermediate disk 42, the at least one first intermediate disk 40 having a radius that at least almost corresponds to the first radius 13 and / or that of the at least one second intermediate disk 40 has a radius that at least almost corresponds to the second radius 15.
  • the first intermediate disk 40 and the second intermediate disk 42 are designed as a one-piece component, the first intermediate disk 40 and the second intermediate disk 42 being connected via a web in the interrupter area.
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention according to a fourth embodiment is shown.
  • the receiving ring 9 has, on its end faces extending axially to the axis of rotation 4, a disk-shaped inner flange 48a, b extending around the axis of rotation 4, this respective inner flange 48a, b each having a surface 44, 46 on the compressor wheel side extending radially to the axis of rotation Area of the first or second gap 32, 34 forms.
  • stator 11 and / or stator sleeve 20 can be formed at least almost U-shaped, the U-shaped opening facing the axis of rotation 4 and thus the rotor 17 and at least almost completely enclosing it, thereby improving encapsulation of the rotor 17 and / or an optimization of the rotating magnetic field between the stator 11 and the rotor 17 can be achieved.
  • the side channel compressor 1 can be operated by means of a method for starting, in particular cold starting, and / or for switching off, in which the stator 11 is energized without a rotating field between the stator 11 and the Ro gate 17 builds up and thus no or very little rotational movement of the rotor 17 about the axis of rotation 4 occurs.
  • This method can be used to heat the side channel compressor 1, in particular to eliminate ice bridges in the area of the respective gaps 32, 34, 36, 38.
  • energizing the stator 11 can induce inductive heating of the rotor 17, with thermal energy being transferred from the rotor 17 to the compressor wheel 2 and / or the receiving ring 9 and / or the respective gap 32, 34, 36, 38.

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Abstract

Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (31) zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3), mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterrad (2), das drehbar um eine Drehachse (4) angeordnet und zumindest mittelbar durch einen Antrieb (6) angetrieben ist, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich eines 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 dem mindestens einen Seitenkanal (19, 21), fluidisch miteinander verbunden sind, wobei eine erste und/oder zweite Symmetrieachse (26, 28), insbesondere der Strömungskontur, des Verdichterrads (2) orthogonal zur Drehachse (4) verlaufen und wobei sich zwischen dem Gehäuse (3) und dem Verdichterrad (2) den jeweiligen Seitenkanal (19, 21) zumindest fluidisch begrenzend jeweils ein funktionsrelevanter Spalt (32, 34, 36, 38) zwischen dem Gehäuse (3) und dem Verdichterrad (2) ausbildet. Erfindungsgemäß weist der Antrieb (6) einen Stator (11) und einen Rotor (17) auf, wobei der Stator (12) und/oder der Rotor (17) entlang der ersten und/oder zweiten Symmetrieachse (26, 28) angeordnet sind.

Description

Titel
Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder
Verdichtung eines gasförmigen Mediums
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoff zellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, 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 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 102010035 039 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 dabei ein Gehäuse und einen Antrieb auf, wobei das Gehäuse ein Gehäuse-Oberteil und ein Gehäuse-Unterteil aufweist. Des Weiteren ist in dem Gehäuse ein um laufend um eine Drehachse verlaufender Verdichterraum angeordnet, der min destens einen umlaufenden Seitenkanal aufweist. In dem Gehäuse befindet sich ein Verdichterrad, das drehbar um die Drehachse angeordnet ist und durch den Antrieb angetrieben wird, wobei das Verdichterrad an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums angeordnete Schaufelblätter aufweist. Zudem weist der aus der DE 102010 035 039 Al bekannte Seitenkanalverdichter jeweils eine am Ge häuse ausgebildeten Gas- Einlassöffnung und eine Gas-Auslassöffnung auf, die über den Verdichterraum , insbesondere den mindestens einen Seitenkanal, flui- disch miteinander verbunden sind. Dabei weist der Seitenkanalverdichter den Antrieb auf, der einen Stator aufweist, der hülsenförmig um die Drehachse ver läuft, und in dessen Inneren ein auf einer Rotorwelle angeordneter Rotor ange ordnet ist. Die Rotorwelle ist dabei mittels zwei jeweils axial zu den Stirnseiten des Rotors angeordneten Kugellagern gelagert. Der aus der DE 102010035 039 Al bekannte Seitenkanalverdichter kann dabei den Stator als ein Heizelement nutzen.
Der aus der DE 102010035 039 bekannte Seitenkanalverdichter kann gewisse Nachteile aufweisen.
Zum einen ist das Verdichterrad scheibenförmig ausgeführt und weist einen gro ßen Durchmesser radial zur Drehachse auf und benötigt somit radial zur Dreh achse viel Bauraum, während das Verdichterrad axial zur Drehachse schmal ausgeführt ist und somit radial zur Drehachse wenig Bauraum benötigt. Zum an deren weist jedoch der gezeigte Antrieb mit dem außerhalb des Rotors angeord neten Stator einen geringen Durchmesser radial zur Drehachse auf und benötigt somit radial zur Drehachse wenig Bauraum. Der Antrieb benötigt jedoch aufgrund der Anordnung von Stator und Rotor jedoch axial zur Drehachse viel Bauraum. Aufgrund dieser gegensätzlichen Bauraumanforderungen des Antriebs und des Verdichterrads ergibt sich bei einer Kombination und/oder Montage der beiden Komponenten ein sperriges und platzraubendes Gesamtsystem des Seitenkanal verdichters, das sich nicht in einer kompakten Bauweise umsetzen lässt.
Des Weiteren weist der aus der der DE 10 2010035 039 bekannte Seitenkanal verdichter den Nachteil auf, dass die Wärmeenergie bei einer Ansteuerung und/oder Verwendung des Stators als Heizelement, die Wärmeenergie einen eine weiten Weg über eine Vielzahl von Bauteilen zurücklegen muss, bis es zum Bereich Vordringen kann, in dem die beweglichen Teile über Eisbrücken mitei nander festfrieren können. Dabei geht viel Energie durch Wärmeverluste verlo ren, da ein großer Bereich mit Wärmeenergie beschickt wird in dem sich keine Eisbrücken ausbilden können und/oder in dem sich keine beweglichen Teile be finden. Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium, insbeson dere Wasserstoff, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit gestellt.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 weist der Seitenkanalverdichter einen Antrieb mit einem Stator und einem Rotor auf, wobei der Stator und/oder der Rotor entlang einer ersten und/oder zweiten Symmetrieachse, insbesondere des Verdichter- rads, angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass der Antrieb als eine in Richtung der Drehachse schmale und einen geringen Durchmesser auf weisende Komponente umgesetzt werden kann. Somit lässt sich der Bauraum des Antriebs im Seitenkanalverdichters reduzieren, aber auch der insgesamt be nötigte Bauraum des Seitenkanalverdichters im Gesamtfahrzeug.
Des Weiteren lässt sich durch eine derartige erfindungsgemäße Ausführung des Antriebs eine gleichartige Bauraumausprägung zum Seitenkanalverdichter erzie len, wobei somit beide Bauteile, Antrieb und Seitenkanalverdichter nun relativ schmal bauen, jedoch mit einem großen Durchmesser. Dies gilt insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem der Antrieb relativ breit baut, jedoch nur einen geringen Durchmesser aufweist, wohingegen der Seitenkanalverdich ter relativ schmal baut, jedoch einen relativ großen Durchmesser aufweist. Auf grund der erfindungsgemäßen Ausführung des Antriebs lässt sich eine kompakte und platzsparende Integration der Bauteile Antrieb und Seitenkanalverdichter er zielen. Dabei ist die kompakte und platzsparende Bauweise des Seitenkanalver dichters durch eine möglichst geringe Oberfläche im Verhältnis zum Volumen re alisiert. Des Weiteren bietet die kompakte Bauweise des Seitenkanalverdichters und/oder des Antriebs, insbesondere mit einer möglichst geringen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen, den Vorteil, dass ein Auskühlen des Seitenkanalver dichter und/oder des Antriebs, bei niedrigen Umgebungstemperaturen, insbeson dere im Bereich unterhalb 0°C, langsamer erfolgt und somit das Auftreten von Eisbrückenbildung länger verzögert werden kann. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Seitenkanalverdichters mög lich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters sind der Stator und/oder der Rotor in einem einer Drehachse abgewandten Bereich des Verdichterrads angeordnet, insbesondere außerhalb eines Außendurchmessers des Verdichterrads, wobei sich der Rotor und/oder ein Aufnahmering des Rotors im Bereich eines ersten oder zweiten funktionsrelevanten Spaltes befinden, wo bei der Aufnahmering hülsenförmig umlaufend um die Drehachse verläuft. Auf diese Weise kann die bei der elektrischen Bestromung des Antriebs im Stator und/oder Rotor anfallende Verlustwärmeenergie effizienter genutzt werden, um Eisbrücken, die sich im Bereich des ersten und/oder zweiten funktionsrelevanten Spaltes befinden, schneller aufzutauen und somit ableiten zu können. Derartige Eisbrücken können ein Starten, insbesondere einen Kaltstart, des Brennstoffzel lensystems, insbesondere des Seitenkanalverdichters, erschweren und/oder voll ständig verhindern. Beim Starten des Fahrzeugs und somit des Brennstoffzellen systems kann dies weiterhin bei zu großer Eisbrückenbildung zu einem Blockie ren des Antriebs führen, wodurch die rotierenden Teile, insbesondere das Ver dichterrad, beschädigt werden können und/oder ein Starten des Systems er schwert beziehungsweise verzögert oder vollständig verhindert wird. Zudem kön nen abplatzende Eiskristalle der Eisbrücken in einem Stack des Brennstoffzellen systems eine Membran schädigen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestal tung des Seitenkanalverdichters und/oder des Antriebs können der Stator und/o der der Rotor näher und/oder direkt in der nächsten Umgebung des jeweiligen ersten und/oder zweiten Spalts angeordnet werden. Somit lässt sich eine Kalt startprozedur des Seitenkanalverdichters, insbesondere bei Temperaturen unter 0°C, beschleunigen und/oder es lassen sich die Eisbrücken nachhaltiger und schneller abtauen und beseitigen, wodurch das Gesamtfahrzeug schneller ein satzbereit und fahrfertig und wodurch die Lebensdauer des Seitenkanalverdich ters und des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann, da schädigende Eisbrücken schneller und effizienter beseitigt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters sind der der Stator und/oder der Rotor in einem Bereich zwischen der Drehachse und dem Verdichterrad, insbesondere einem Innendurchmesser des Verdichterrads angeordnet. Dabei befinden sich der Rotor und/oder ein Aufnahmering des Ro tors im Bereich eines dritten oder vierten funktionsrelevanten Spaltes, wobei der Aufnahmering hülsenförmig umlaufend um die Drehachse verläuft. Auf diese Weise kann die bei der elektrischen Bestromung des Antriebs im Stator und/oder Rotor anfallende Verlustwärmeenergie effizienter genutzt werden, um Eisbrü cken, die sich im Bereich des dritten und/oder vierten funktionsrelevanten Spal tes befinden, schneller aufzutauen und somit ableiten zu können. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters und/oder des An triebs können der Stator und/oder der Rotor näher und/oder direkt in der nächs ten Umgebung des jeweiligen dritten und/oder vierten Spalts angeordnet werden. Somit lässt sich eine Kaltstartprozedur des Seitenkanalverdichters, insbesondere bei Temperaturen unter 0°C, beschleunigen und/oder es lassen sich die Eisbrü cken nachhaltiger und schneller abtauen und beseitigen, wodurch das Gesamt fahrzeug schneller einsatzbereit und fahrfertig und wodurch die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters und des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann, da schädigende Eisbrücken schneller und effizienter beseitigt wer den.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters ist der Sta tor hülsenförmig umlaufend um die Drehachse ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine kompakte Anordnung des Stators im Seiten kanalverdichter erzielt werden kann. Des Weiteren bietet diese Ausführung den Vorteil, dass der Antrieb weniger elektrische Energie zum Antreiben des Verdich- terrads benötigt, wodurch sich die Betriebskosten des Seitenkanalverdichters und somit des Brennstoffzellensystems reduzieren lassen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters weist der Rotor mehrere Rotor-Platten auf, die umlaufend um die Drehachse an geordnet sind, wobei die Rotorplatten insbesondere formschlüssig und/oder kraft schlüssig und/oder einer stoffschlüssig mit dem Aufnahmering und/oder dem Verdichterrad verbunden sind. Dies bietet zum einen Vorteile bei der Montage des Rotors, da der Rotor, insbesondere die Rotorplatten, auf dem Aufnahmering vormontiert werden können, wodurch die Montagezeit und die Montagekosten ebenso wie eine mögliche Reparaturzeit und Reparaturkosten im Falle des not wendigen Austauschs des Rotors reduziert werden können. Dies bietet den Vor teil von reduzierten Herstellkosten und reduzierten Betriebskosten des Seitenka- nalverdichters. Zudem bietet eine derartige Anordnung der Rotorplatten den Vor teil, dass die Rotorplatten mit einem geringen Abstand zueinander montiert sind und es deshalb zu keiner Schädigung der empfindlichen Rotorplatten, die insbe sondere als Magnetplatten ausgebildet sind, bei einem Durchlaufen eines großen Temperaturbereichs aufgrund von inneren Spannung und/oder unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rotors und des Aufnahmerings kommt.
Auf diese Weise kann die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters erhöht wer den.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters weist der Aufnahmering, insbesondere das Material des Aufnahmerings, eine hohe Wär meleitfähigkeit und/oder einen hohen induktiven Widerstand aufweist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der Aufnahmering entweder auf grund von durch den Antrieb erzeugte Wärmestrahlung oder durch eine induktive Bestromung und/oder ein Magnetfeld aufgeheizt werden kann, wodurch ein schnelleres Aufheizen des Seitenkanalverdichters, insbesondere im Bereich des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten funktionsrelevanten Spaltes. Somit lässt sich eine Kaltstartprozedur des Seitenkanalverdichters, insbesondere bei Tempe raturen unter 0°C, beschleunigen und/oder es lassen sich die Eisbrücken nach haltiger und schneller abtauen und beseitigen, wodurch das Gesamtfahrzeug schneller einsatzbereit und fahrfertig und wodurch die Lebensdauer des Seiten kanalverdichters und des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann, da schädigende Eisbrücken schneller und effizienter beseitigt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist der Aufnahmering an seinen axial zu Drehachse verlaufen Stirnseiten jeweils einen scheibenförmig um die Drehachse verlaufenden Innenflansch auf, wobei dieser jeweilige Innen flansch jeweils eine radial zur Drehachse verlaufende verdichteradseitige Fläche im Bereich des ersten oder zweiten Spalts ausbildet. Durch diese erfindungsge mäße Ausführung des Aufnahmerings reicht dieser auch geometrisch bis in den Bereich des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten funktionsrelevanten Spaltes vor, wodurch sich eine schnellere und effizientere Wärmeübertragung in diesen Bereich realisieren lässt und wodurch sich auftretende Eisbrücken in diesem Be reich, insbesondere bei einer Kaltstartprozedur des Fahrzeugs, schneller auf tauen und beseitigen lassen. Zudem kann auf diese Weise die Lebensdauer des Montageverbunds Verdichterrad mit Aufnahmering erhöht werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung befinden sich mindestens eine erste Zwischenscheibe und/oder mindestens eine zweite Zwischenscheibe im Ge häuse, insbesondere im Bereich der den Spalten zugewandten Stirnflächen des Gehäuses, wobei die Zwischenscheiben jeweils scheibenförmig umlaufend um die Drehachse verlaufen. Das Material der Zwischenscheiben kann dabei eine höhere Wärmeleitfähigkeit und/oder eine höhere Festigkeit im Vergleich zum Ma terial des restlichen Gehäuses aufweisen. Dies bietet zum einen der Vorteil, dass sich eine schnellere und effizientere Wärmeübertragung in den Bereich der funk tionsrelevanten Spalte realisieren lässt, wodurch sich auftretende Eisbrücken in diesen Bereichen, insbesondere bei einer Kaltstartprozedur des Fahrzeugs, schneller auftauen und beseitigen lassen. Zum anderen kann aufgrund der Mate rialeigenschaften der Zwischenscheiben aufgrund der Lebensdauer eine Beschä digung des Seitenkanalverdichters, beispielsweise durch abrassive Partikel reduziert werden, wodurch sich die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters verbessern lässt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters befindet sich einen Abstandshülse axial zur Drehachse zwischen dem Gehäuse- Oberteil und dem Gehäuse-Unterteil und/oder steht mit diesen axial zur Dreh achse in Anlage steht. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine Kapselung des Stator-Raums erzielt werden kann, ohne das weitere Bauteile, wie beispielsweise ein Statorgehäuse notwendig sind. Zudem können Montage fehler reduziert werden, beispielsweise durch nicht optimal zueinander ausge richteten Gehäuseteilen, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seiten kanalverdichters reduzieren lässt. Des Weiteren ist es mittels des Einsatzes der Abstandshülse möglich Fertigungstoleranzen des Gehäuse-Oberteils und/oder des Gehäuse-Unterteils derart auszugleichen, dass sich die Breite des funktions relevanten Spaltes und/oder der Abstand axial zur Drehachse des Verdichterrads zum Gehäuse-Oberteil und/oder Gehäuse-Unterteil mittels der Abstandshülse einstellen lässt. Dabei kann entweder bei der Montage Abstandshülsen mit unter schiedlichen in Richtung der Drehachse verlaufenden Dicken verwendet werden oder es kann mittels einer Bearbeitung Abstandshülsen kurz vor dem oder beim Montageprozess erfolgen. Eine Nachbearbeitung des Gehäuse-Oberteils und/o der des Gehäuse-Unterteils ist nicht mehr notwendig. Auf diese Weise kann die Montagezeit und/oder die Montagekosten reduziert werden. Gemäß eines vorteilhaften Verfahrens zum Start oder zum Abschalten des Sei tenkanalverdichters erfolgt eine Bestromung des Stators, ohne dass sich ein Drehfeld zwischen dem Stator und dem Rotor aufbaut und sich somit keine oder eine sehr geringe Drehbewegung des Rotors um die Drehachse einstellt. Dabei wird der Stator bei einer kurzfristigen Bestromung der Spulen des Stators aufge wärmt, insbesondere aufgrund der entstehenden Verlustleistung, die als Wärme energie freigesetzt wird. Vom Stator breitet sich diese Wärmeenergie dann auf die weiteren Bauteile des Seitenkanalverdichters aus. Zudem kann in einer wei teren möglichen Ausführungsform mittels eines vorteilhaften Verfahrens eine Bestromung des Stators derart durchgeführt werden, dass eine induktive Erwär mung des Rotors erfolgt, wobei insbesondere ein Wärmeenergieübertrag vom Rotor auf das Verdichterrad erfolgt und wobei sich die Wärme aus dem Rotor in einer Flussrichtung in den Bereich der axialen Enden des inneren Begrenzungs rings und des mindestens eines außenliegenden Ringbunds des Verdichterrads ausbreitet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass durch die Bestromung des Stators bei einem nicht vorhandenen Drehfeld eine Erwärmung des Rotors einstellt, wobei hierzu insbesondere der Effekt der Induktion verwen det wird. Dabei lässt sich der Rotor, der insbesondere aus einem wärmeleitfähi gen Material besteht, erwärmen, was insbesondere bei einer Kaltstartprozedur des Seitenkanalverdichters und/oder des Fahrzeugs vorteilhaft ist. Dabei er wärmt sich der Rotor und überträgt, beispielsweise aufgrund seiner Wärmeleitfä higkeit, die Wärmeenergie auf das Verdichterrad. Dabei erfolgt der Wärmeener gieübertrag in einer Flussrichtung in den Bereich zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse, in dem sich Eisbrücken ausgebildet haben. Diese Eisbrücken entstehen aufgrund von einer vorhandenen Flüssigkeit, insbesondere Wasser, das sich beim Betrieb des Brennstoffzellensystems bildet und dass sich insbe sondere im Bereich mit einem geringen Spaltmaß zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse ansammelt. Bei einem Abschalten des Seitenkanalverdichters und/oder des Fahrzeugs, insbesondere über einen längeren Zeitraum und/oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt, gefriert die Flüs sigkeit und es bilden sich Eisbrücken aus. Diese Eisbrücken können bei einem Anfahren und/oder Starten des Seitenkanalverdichters zur Beschädigung des Seitenkanalverdichters führen und/oder eine Rotation des Verdichterrads im Ge häuse durch ein Blockieren verhindern. Weiterhin kann bei einem Anfahren des Verdichterrads ein Losbrechen bewirkt werden, bei dem scharfkantige Eisstücke freigesetzt werden, die in Förderrichtung Bauteile hinter dem Seitenkanalverdich- ter und/oder einer Brennstoffzelle, insbesondere die Membran der Brennstoff zelle schädigen können. Durch das Aufheizen des Rotors wird dabei das Ver dichterrad und insbesondere der Bereich des inneren Begrenzungsrings und des außenliegenden Ringbunds, die beide jeweils einen geringen Abstand, insbeson- dere ein geringes Spaltmaß, zum Gehäuse ausbilden, erwärmt. Dadurch schmel zen die Eisbrücken und die Flüssigkeit wechselt von einem festen zu einem flüs sigen Aggregatzustand und kann abgeführt werden, beispielsweise mittels eines im Brennstoffzellensystem vorhandenen Purgeventil und/oder Ablassventil. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters und/oder des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
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 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 einen in Figur 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalver dichters in vergrößerter Darstellung,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seiten kanalverdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seiten kanalverdichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfin dungsgemäßen Seitenkanalverdichters 1 gemäß einem ersten Ausführungsbei spiel zu entnehmen.
Dabei ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 ein Gehäuse 3 auf weist, wobei sich in dem Gehäuse 3 ein Verdichterrad 2 befindet, das drehbar um eine Drehachse 4 angeordnet und zumindest mittelbar durch einen Antrieb 6 angetrieben ist. Dabei weist das Verdichterrad 2 an seinem Umfang im Bereich eines Verdichterraums 30 angeordnete Förderzellen 5 auf. Zudem weist das Ge häuse 3 eine Gas- Einlassöffnung 14 und eine Gas-Auslassöffnung 16 auf, die über den Verdichterraum 30, insbesondere dem mindestens einen Seitenkanal 19, 21 fluidisch miteinander verbunden sind. Dabei ist der Seitenkanalverdichter 1 mittels der Gas- Einlassöffnung 14 und/oder der Gas-Auslassöffnung 16 mit ei nem Brennstoffzellensystem 31 verbunden, wobei der Seitenkanalverdichter 1 insbesondere als Komponente eines Anodenkreislaufs des Brennstoffzellensys tems 31 eingesetzt wird. Die Seitenkanäle 19, 21 verlaufen derart im Gehäuse 3 in Richtung der Drehachse 4, dass diese axial zur Förderzelle 5 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 im Gehäuse 3 ausgebildet ist.
Weiterhin ist in Fig. 1 gezeigt, dass eine erste Symmetrieachse 26, insbesondere der Strömungskontur, des Verdichterrads 2 orthogonal zur Drehachse 4 verläuft. Dabei verläuft eine weitere nicht gezeigte (in Fig. 2 gezeigte) zweite Symmetrie achse 25 orthogonal zur ersten Symmetrieachse 26 und zu Drehachse 4, wobei die erste Symmetrieachse 25 und die zweite Symmetrieachse 26 eine orthogonal zur Drehachse 4 verlaufende Normalebene 25 ausbilden (gezeigt in Fig. 2). Im Bereich zwischen dem Gehäuse 3 und dem Verdichterrad 2 wird der erste Sei tenkanal 19 auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite durch einen ersten funktionsrelevanten Spalt 32 zumindest fluidisch begrenzt, wobei der Spalt 32 durch einen derart geringen Abstand zwischen dem Gehäuse 3, insbesondere einem Gehäuse-Oberteil 7, und dem Verdichterrad 2 ausgebildet wird und wobei der erste Spalt 32 scheibenförmig umlaufend um die Drehachse 4 verläuft. Ein weiterer funktionsrelevanter Spalt 34 begrenzt den zweiten Seitenkanal 21 auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite, wobei der zweite Spalt 34 durch einen derart geringen Abstand zwischen dem Gehäuse 3, insbesondere einem Ge häuse-Unterteil 8, und dem Verdichterrad 2 ausgebildet wird. Weiterhin erfolgt eine zumindest fluidische Begrenzung des jeweiligen Seitenkanals 19, 21 auf der der Drehachse 4 zugewandten Seite mittels eines dritten und vierten Spalts 36,
38, die ebenfalls zwischen dem Gehäuse 3 und dem Verdichterrad 2 ausbildet sind. Um einen guten Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters 1 erzielen zu können, müssen die Spalte 32, 34, 36, 38 entsprechend klein dimensioniert sein.
Im Bereich der Spalte 32, 34, 36, 38 bildet sich dabei jeweils ein funktionsrele vantes Spaltmaß aus.
In Fig. 1 wird gezeigt, dass der Antrieb 6 einen Stator 11 und einen Rotor 17 auf weist, wobei der Stator 11 und/oder der Rotor 17 entlang der ersten und/oder zweiten Symmetrieachse 26, 28 angeordnet sind. Bei dem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel sind der Stator 11 und/oder der Rotor 17 in einem Bereich zwischen der Drehachse 4 und dem Verdichterrad 2, insbesondere einem Innendurchmesser 24 des Verdichterrads 2 angeordnet, wobei sich der Rotor 17 und/oder ein Aufnahmering 9 des Rotors 17 im Bereich eines dritten oder vierten funktionsrelevanten Spaltes 36, 38 befinden. Der Stator 11 ist dabei hülsenförmig umlaufend um die Drehachse 4 ausgebildet. Der Aufnahmering 9 ist dabei als hülsenförmig um die Drehachse 4 umlaufendes Bauteil ausgebildet, das beispielsweise formschlüssig, stoffschlüssig oder kraft schlüssig mit dem Verdichterrad 2, insbesondere dem Innendurchmesser 24 des Verdichterrads 2, verbunden ist wobei auch der Aufnahmering 9 entlang der ers ten und/oder zweiten Symmetrieachse 26, 28 angeordnet ist. Dabei kann am In nendurchmesser des Aufnahmerings 9 der Rotor 17 angeordnet sein. Zudem weist der Aufnahmering 9, insbesondere das Material des Aufnahmerings 9, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und/oder einen hohen induktiven Widerstand aufweist. Auf diese Weise kann ein schnellerer Wärmeenergieübergang vom Stator 11 auf den Aufnahmering 9 erzielt werden, entweder als Wärmestrahlung oder als in duktive oder magnetische Energie, wodurch sich die Eisbrücken im Bereich der Spalte 32, 34, 36 und/oder 38 schneller beseitigen lassen.
Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass das Verdichterrad 2 einen ersten Radius 13 und einen zweiten Radius 15 aufweist, wobei der zweite Radius 15 kleiner als der erste Radius 13 ist und wobei der Mittelpunkt M der Radien 13, 15 auf der Drehachse 4 liegt. Im Bereich des ersten Radius 13 befindet sich der erste und zweite Spalt 32, 34 und im Bereich des zweiten Radius 15 der dritte und vierte Spalt 36, 38. Der Bereich des ersten Radius 13 kann auch als Außenring des Verdichterrads 2 und der Bereich des zweiten Radius 15 als Innenring des Ver dichterrads 2 bezeichnet werden. Dabei weist das Verdichterrad 2 im Bereich des zweiten Radius 15 einen hülsenförmigen Ansatz 10 auf, der hülsenförmig umlaufend zur Drehachse 4 und axial zu dieser verläuft. Das Verdichterrad 2 ist über den Ansatz 10 über ein erstes Lager 27 und/oder ein zweites Lager 47 auf einem Lagerzapfen 12 gelagert, wobei der Lagerzapfen 12 insbesondere im Ge häuse-Unterteil 8 ausgebildet ist. Bei den Lagern 27, 47 kann es sich insbeson dere um Kugellager 27, 47 handelt, bevorzugt um Rillenkugellager 27, 47.
Der Stator 11 wird von einem topfförmigen Statorgehäuse 39 umfasst, wobei das Statorgehäuse 39 auf der dem Gehäuse-Unterteil 8 in Richtung der Drehachse 4 abgewandten Seite eine Öffnung aufweist, wobei das Statorgehäuse 39 im Be reich der Öffnung mittels einer Stator-Platte 43 verschlossen werden kann. Die Bauteile 11, 39, 43 können dabei zumindest nahezu vollständig in Richtung der Drehachse 4 in eine Aussparung im Gehäuse 3 eingeschoben werden, wobei die Öffnung als um die Drehachse 4 umlaufenden Bohrung im Bereich des Gehäu ses 3 ausgebildet ist. Der Bereich innerhalb des Statorgehäuses 39 auf der der Drehachse 4 zugewandten Seite, in dem sich der Stator 11 befindet, wird als Sta tor-Raum 35 bezeichnet. Der Bereich außerhalb des Statorgehäuses 39 auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite im Gehäuse 3, in dem sich der Rotor 17 be findet, wird als Rotor-Raum 33 bezeichnet, wobei der Rotor-Raum 33 zumindest fluidisch von den Seitenkanälen 19, 21 getrennt ist. Das Statorgehäuse 39 ist idealerweise aus einem Kunststoff gefertigt um ein unbeeinflusstes Wirken zwi schen dem Rotor 17 und dem Stator 10 zu gewährleisten, wobei die Stator-Platte 43 ein Herausdrücken des Statorgehäuses 39 durch den Überdruck im Pneuma tikbereich verhindert. Zudem werden die elektrischen Bauteile des Stators 11 mit tels der Stator-Platte 43 vor Verschmutzung und Feuchtigkeit von außen ge schützt. Der Stator 10 kann dabei innerhalb des Statorgehäuse 39 kraft- oder formschlüssig fixiert sein. Des Weiteren befindet sich ein erstes Dichtelement 37 zwischen dem Gehäuse-Oberteil 7 und dem Statorgehäuse 39, wodurch eine Kapselung des Rotor-Raums 33 gegen Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung von außerhalb des Seitenkanalverdichters 1 erzielt wird. Mittels eines zweiten Dichtelements 41, welches sich zwischen dem Gehäuse-Oberteil 7 und dem Ge häuse-Unterteil 8 befindet, wird eine zusätzliche Kapselung des innerhalb des Gehäuse liegenden Bereichs, insbesondere der Seitenkanäle 19, 21, gegen Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung von außerhalb des Seitenkanalverdichters 1 erzielt.
In Fig. 2 wird eine in Figur 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalver dichters in vergrößerter Darstellung gezeigt. Dabei ist gezeigt, dass der Rotor 17 mehrere Rotor-Platten 17 aufweist, die umlaufend um die Drehachse 4 angeord net sind, wobei die Rotorplatten 17 insbesondere formschlüssig und/oder kraft schlüssig und/oder einer stoffschlüssig mit dem Aufnahmering 9 und/oder dem Verdichterrad 2 verbunden sind. Weiterhin ist ein um die Drehachse 4 umlaufen der begrenzender Umkreis 18 gezeigt, der sich zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 17 befindet, wobei sich der Umkreis 18 im Bereich des (in Fig. 1 gezeig ten) Statorgehäuses 39 befinden kann.
Zudem ist die Normalebene 25 gezeigt, die durch die erste Symmetrieachse 26 und die zweite Symmetrieachse 28 aufgespannt wird. Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seiten kanalverdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel sind der Stator 11 und/oder der Rotor 17 in einem der Drehachse 4 abgewandten Bereich des Verdichterrads 2 angeordnet, insbesondere außerhalb eines Außendurchmessers des Verdichterrads 2. Dabei befinden sich der Rotor 17 und/oder ein Aufnahmering 9 des Rotors 17 im Bereich eines ersten oder zweiten funktionsrelevanten Spaltes 32, 34, wobei der Aufnahmering 9 hülsenför mig umlaufend um die Drehachse 4 verläuft. Der Aufnahmering 9 ist dabei mit seinem Innendurchmesser formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Außendurchmesser des Verdichterrads 2 verbunden. Am Außendurchmes ser des Aufnahmerings 9 kann der Rotor 17 angebracht sein. In diesem Ausfüh rungsbeispiels weist der Stator 11 einen größeren Durchmesser als der Rotor 17 auf und befindet sich auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite des Rotors 17, insbesondere im Gehäuse 3. Des Weiteren kann der Stator 11 an einer in die sem zweiten Ausführungsbeispiel hülsenförmig um die Drehachse 4 umlaufen den Statorhülse 20 angebracht sein, insbesondere an deren Außendurchmesser. Somit befindet sich die Statorhülse 20 zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 17 und bewirkt eine fluidische Trennung des Rotor-Raums 33 vom Stator-Raum 35. Zudem befindet sich eine Abstandshülse 29 axial zur Drehachse 4 zwischen dem Gehäuse-Oberteil 7 und dem Gehäuse-Unterteil 8 und/oder steht mit diesen 7, 8 axial zur Drehachse 4 in Anlage. Dabei begrenzt die Abstandshülse 29 den Sta tor-Raum 35 nach außen auf der der Drehachse 4 abgewandten Seite und kap selt diesen 35 gegen Feuchtigkeit und Schmutz von außen.
In Fig. 3 ist zudem dargestellt, dass sich mindestens eine erste Zwischenscheibe 40a, b und/oder mindestens eine zweite Zwischenscheibe 42a, b im Gehäuse 3, insbesondere im Bereich der den Spalten 32, 34, 36, 38 zugewandten Stirnflä chen des Gehäuses 3 befinden, wobei die Zwischenscheiben 40, 42 jeweils scheibenförmig umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen. Diese Zwischenschei ben 40, 42 können dabei formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse 3 verbunden sein. Mittels der Zwischenscheiben 40, 42 kann eine schnellere Wärmeeinbringung zur Beseitigung von Eisbrücken in die Bereiche der Spalte 32, 34, 36, 38 erzielt werden. Dabei weist die mindestens eine erste Zwischenscheibe 40 einen größeren Radius auf, als die mindestens zweite Zwi schenscheibe 42, wobei die mindestens eine erste Zwischenscheibe 40 einen Radius aufweist, der zumindest nahezu dem ersten Radius 13 entspricht und/o der die mindestens eine zweite Zwischenscheibe 40 einen Radius aufweist, der zumindest nahezu dem zweiten Radius 15 entspricht. In einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel kann die erste Zwischenscheibe 40 und die zweite Zwischen scheibe 42 als ein einteiliges Bauteil ausgeführt ist, wobei die erste Zwischen scheibe 40 und die zweite Zwischenscheibe 42 über einen Steg im Unterbrecher- Bereich verbunden sind.
In Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seiten kanalverdichters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Aufnahmering 9 an seinen axial zu Drehachse 4 verlaufen Stirnseiten jeweils einen scheibenförmig um die Drehachse 4 verlau fenden Innenflansch 48a, b auf, wobei dieser jeweilige Innenflansch 48a, b je weils eine radial zur Drehachse verlaufende verdichteradseitige Fläche 44, 46 im Bereich des ersten oder zweiten Spalts 32, 34 ausbildet. Des Weiteren können die Bauteile Stator 11 und/oder Statorhülse 20 zumindest nahezu u-förmig aus gebildet sein, wobei die u-förmige Öffnung jeweils zur Drehachse 4 und somit dem Rotor 17 zugewandt ist und diesen zumindest nahezu vollständig um schließt, wodurch eine verbesserte Kapselung des Rotors 17 und/oder eine Opti mierung des magnetischen Drehfeldes zwischen Stator 11 und Rotor 17 erzielt werden kann.
Der Seitenkanalverdichter 1 gemäß aller vorher beschriebenen Ausführungsbei spiele kann dabei mittels eines Verfahrens zum Start, insbesondere Kaltstart, und/oder zum Abschalten betrieben werden, bei dem eine Bestromung des Sta tors 11 erfolgt, ohne dass sich ein Drehfeld zwischen dem Stator 11 und dem Ro tor 17 aufbaut und sich somit keine oder eine sehr geringe Drehbewegung des Rotors 17 um die Drehachse 4 einstellt. Dieses Verfahren kann zu Aufheizen des Seitenkanalverdichters 1 angewendet werden, insbesondere um Eisbrücken im Bereich der jeweiligen Spalte 32, 34, 36, 38 zu eliminieren. Zudem kann die Bestromung des Stators 11 eine induktive Erwärmung des Rotors 17 bewirken, wobei ein Wärmeenergieübertrag vom Rotor 17 auf das Verdichterrad 2 und/oder den Aufnahmering 9 und/oder den jeweiligen Spalt 32, 34, 36, 38 erfolgt.

Claims

Ansprüche
1. Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (31) zur Förde rung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3), mit einem in dem Gehäuse (3) be findlichen Verdichterrad (2), das drehbar um eine Drehachse (4) ange ordnet und zumindest mittelbar durch einen Antrieb (6) angetrieben ist, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich eines Ver dichterraums (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), insbeson dere dem mindestens einen Seitenkanal (19, 21), fluidisch miteinander verbunden sind, wobei eine erste und/oder zweite Symmetrieachse (26, 28), insbesondere der Strömungskontur, des Verdichterrads (2) orthogo nal zur Drehachse (4) verlaufen und wobei sich zwischen dem Gehäuse (3) und dem Verdichterrad (2) den jeweiligen Seitenkanal (19, 21) zu mindest fluidisch begrenzend jeweils ein funktionsrelevanter Spalt (32, 34, 36, 38) zwischen dem Gehäuse (3) und dem Verdichterrad (2) aus bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (6) einen Stator (11) und einen Rotor (17) aufweist, wobei der Stator (12) und/oder der Rotor (17) entlang der ersten und/oder zweiten Symmetrieachse (26, 28) an geordnet sind.
2. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) und/oder der Rotor (17) in einem der Dreh achse (4) abgewandten Bereich des Verdichterrads (2) angeordnet sind, insbesondere außerhalb eines Außendurchmessers des Verdichterrads (2), wobei sich der Rotor (17) und/oder ein Aufnahmering (9) des Rotors (17) im Bereich eines ersten oder zweiten funktionsrelevanten Spaltes (32, 34) befinden, wobei der Aufnahmering (9) hülsenförmig umlaufend um die Drehachse (4) verläuft.
3. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) und/oder der Rotor (17) in einem Bereich zwi schen der Drehachse (4) und dem Verdichterrad (2), insbesondere ei nem Innendurchmesser (24) des Verdichterrads (2) angeordnet sind, wobei sich der Rotor (17) und/oder ein Aufnahmering (9) des Rotors (17) im Bereich eines dritten oder vierten funktionsrelevanten Spaltes (36,
38) befinden wobei der Aufnahmering (9) hülsenförmig umlaufend um die Drehachse (4) verläuft.
4. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) hülsenförmig umlaufend um die Dreh achse (4) ausgebildet ist.
5. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (17) mehrere Rotor-Platten (17) aufweist, die umlaufend um die Drehachse (4) angeordnet sind, wo bei die Rotorplatten (17) insbesondere formschlüssig und/oder kraft schlüssig und/oder einer stoffschlüssig mit dem Aufnahmering (9) und/o der dem Verdichterrad (2) verbunden sind.
6. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmering (9), insbesondere das Material des Aufnahmerings (9), eine hohe Wärmeleitfähigkeit und/oder einen hohen induktiven Widerstand aufweist.
7. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmering (9) an seinen axial zu Drehachse (4) verlaufen Stirnseiten jeweils einen scheibenförmig um die Drehachse (4) verlaufenden Innenflansch (48a, b) aufweist, wobei dieser jeweilige Innenflansch (48a, b) jeweils eine radial zur Drehachse (4) verlaufende verdichteradseitige Fläche (44, 46) im Bereich des ers ten oder zweiten Spalts (32, 34) ausbildet.
8. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine erste Zwischen scheibe (40a, b) und/oder mindestens eine zweite Zwischenscheibe (42a, b) im Gehäuse (3), insbesondere im Bereich der den Spalten (32, 34, 36, 38) zugewandten Stirnflächen des Gehäuses (3) befinden, wobei die Zwischenscheiben (40, 42) jeweils scheibenförmig umlaufend um die Drehachse (4) verlaufen.
9. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich einen Abstandshülse (29) axial zur Drehachse (4) zwischen dem Gehäuse-Oberteil (7) und dem Gehäuse-Unterteil (8) be findet und/oder mit diesen (7,8) axial zur Drehachse (4) in Anlage steht.
10. Verfahren zum Start, insbesondere Kaltstart, und/oder Abschalten des Seitenkanalverdichters (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestromung des Stators (11) er folgt, ohne dass sich ein Drehfeld zwischen dem Stator (11) und dem Rotor (17) aufbaut und sich somit keine oder eine sehr geringe Drehbe wegung des Rotors (17) um die Drehachse (4) einstellt.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung des Stators (11) eine induktive Erwärmung des Rotors (17) bewirkt, wobei ein Wärmeenergieübertrag vom Rotor (17) auf das Ver dichterrad (2) und/oder den Aufnahmering (9) und/oder den jeweiligen Spalt (32, 34, 36, 38) erfolgt.
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