WO2023186364A1 - Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder verdichtung eines gasförmigen mediums, brennstoffzellensystem - Google Patents

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

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WO2023186364A1
WO2023186364A1 PCT/EP2023/051623 EP2023051623W WO2023186364A1 WO 2023186364 A1 WO2023186364 A1 WO 2023186364A1 EP 2023051623 W EP2023051623 W EP 2023051623W WO 2023186364 A1 WO2023186364 A1 WO 2023186364A1
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WO
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bearing
side channel
compressor
rotation
axis
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Application number
PCT/EP2023/051623
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English (en)
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Inventor
Armin Merz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D23/00—Other rotary non-positive-displacement pumps
    • F04D23/008—Regenerative pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/059—Roller bearings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly

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.
  • the invention relates to a fuel cell system with a device according to the invention.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the vehicle sector in the future.
  • Hydrogen gas flows must be controlled, particularly in vehicles with fuel cell drives.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously, as with the injection of liquid fuel, but the gaseous medium is removed from at least one high-pressure tank and directed 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 compressor can be interposed, which 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, especially when the vehicle starts (cold) after a certain period of standstill.
  • These side channel compressors are usually driven by electric motors, which are supplied with voltage via the vehicle battery when operating 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, with a circumferential circumference in the housing a compressor chamber extending through an axis of rotation, which has at least one circumferential side channel, with a compressor wheel located in the housing, which is rotatably arranged about the axis of rotation and is driven by the drive.
  • the compressor wheel has blades arranged on its circumference in the area of the compressor chamber and is each connected to a gas inlet opening and a gas outlet opening formed on the housing, which are fluidly connected to one another via the compressor chamber, in particular the at least one side channel, the side channel compressor has at least one bearing.
  • the side channel compressor known from DE 10 2018 204 713 A1 can have certain disadvantages.
  • hydrogen can penetrate into the at least one bearing used and damage the metallic components, in particular through hydrogen embrittlement.
  • a bearing inner ring and/or a bearing outer ring and/or the rolling elements can be damaged, which increases the probability of failure of the respective bearing and thus of the entire side channel compressor.
  • the side channel compressor known from DE 10 2018 204 713 A1 can, in an exemplary embodiment, have sealing disks which are located between the bearing inner ring and the bearing outer ring in order to encapsulate the bearing interior.
  • the sealing disks can have a plastic sealing lip to the bearing inner ring or to the bearing outer ring, which causes at least partial encapsulation of the bearing interior by means of a sliding contact.
  • This exemplary embodiment of the side channel compressor shown in the prior art has the disadvantages that, due to the frictional contact, an increased temperature development occurs in the area of the sliding contact, as a result of which the at least one bearing and / or other components of the side channel compressor are damaged.
  • this exemplary embodiment of the side channel compressor shown in the prior art has the disadvantage that the encapsulating effect weakens over time and hydrogen therefore enters the area of the storage interior can, which increases the probability of failure of the respective bearing and thus of the entire side channel compressor.
  • increased energy consumption of the drive may be necessary, especially in the form of electrical energy, due to the friction losses of the sliding contact, which in turn leads to increased operating costs of the side channel compressor.
  • 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 at least one bearing, each with at least one sealing disk, which has a plurality of flow wedges on its end face, in particular facing away from a bearing channel space, which run at least approximately orthogonal to an axis of rotation, with a flow opening forming between two flow wedges, which at least runs approximately orthogonal to the axis of rotation.
  • the medium which is in particular a gaseous medium and/or hydrogen, which is located in the flow opening between the rotating wedges, is set into a rotational movement about the axis of rotation using the rotating wedges. Centrifugal forces build up on the medium, which are directed away from the axis of rotation and/or the bearing inner ring, in particular towards the outer bearing ring. The medium is thus guided away from an area between the bearing inner ring and the inner diameter of the sealing disk and/or flows away from this area due to its own dimensions and the centrifugal forces acting on them. The medium can thus be directed away from the area from which it could penetrate into the area of the storage interior.
  • the flow wedges are designed to taper from the inside diameter of the sealing disk to the outside diameter of the sealing disk.
  • an improved outflow of the medium can be brought about, since due to the taper of the respective flow wedge, it can act on the medium with a longer side surface, in particular when a compressor wheel rotates, and the flow wedge when the side channel compressor starts up and thus an initiated rotation of the compressor wheel rotates and thus acts on the medium due to its inertia with a force acting orthogonally to the side surface and thus accelerates it in an outflow direction towards the bearing outer ring.
  • the medium can thus be efficiently directed away from the area in which the gaseous medium could penetrate into the area of the bearing interior.
  • the at least one bearing is fixed to a bearing journal via a bearing stop disk by means of a fixing element.
  • the bearing stop disk has such a large diameter that it covers the sealing disk, in particular orthogonally to the axis of rotation, with at least two structural flow chambers being formed in the area of overlap between the bearing stop disk and the sealing disk.
  • the flow chambers are delimited, in particular on four sides, by the bearing stop disk, by the sealing disk and by two flow wedges, with the flow chamber in particular being open at least on the side facing away from the axis of rotation.
  • the flow chamber in particular being open at least on the side facing away from the axis of rotation.
  • the lower housing part has the cylindrical bearing pin, the bearing pin extending in the direction of the axis of rotation in such a way that its lateral surface runs circumferentially around the axis of rotation and with a first bearing and/or a second bearing radially to the axis of rotation are in contact with the lateral surface of the bearing journal.
  • the first and/or the second bearing can be accommodated by means of a compact and cost-effective design of the housing and/or the side channel compressor.
  • the assembly of the bearings and/or the compressor wheel in the housing can be simplified, so that fewer assembly steps are necessary and assembly costs can therefore be saved.
  • the bearing outer ring and the sealing disk are arranged to be rotatable with the compressor wheel about the axis of rotation, in particular during operation of the side channel compressor, with the bearing inner ring and the bearing stop disk being fixed, in particular non-rotatably on the bearing journal and/or not moving with it rotate with the compressor wheel.
  • the sealing disk can be connected to the outer bearing ring by means of a positive and/or cohesive and/or non-positive connection and rotates with this outer bearing ring and/or the compressor wheel .
  • the area to be sealed can also be relocated to the area of a smaller diameter, in particular the inner diameter of the sealing disk, and thus the size of the area to be sealed can be reduced.
  • the probability of failure of the side channel compressor can thus be reduced and/or the service life of the bearing and/or the side channel compressor can be increased.
  • the side channel compressor there is a labyrinth seal in the area of the inner diameter of the sealing disk, the labyrinth seal being located between the sealing disk and the stationary bearing inner ring, which in particular encapsulates the bearing interior and the at least almost friction-free during operation of the side channel compressor Environment achieved.
  • the advantage can be achieved that a sealing function can be achieved between the sealing disk and the bearing inner ring, which is at least almost friction-free, in contrast to the prior art, which is in particular a solution in which a The sealing lip located on the sealing disk is in sliding contact with the bearing inner ring.
  • This friction-free encapsulation of the bearing interior by means of the labyrinth seal prevents the generation of frictional heat during operation of the side channel compressor and thus damage and/or wear to surrounding components is prevented or at least reduced, thereby increasing the service life of the entire side channel compressor.
  • the efficient encapsulation by means of the labyrinth seal can prevent the gaseous medium, which is in particular hydrogen, from penetrating from other areas of the side channel compressor, in particular the compressor chamber, into the area of the respective bearing, in particular the bearing interior , where it possibly leads to damage due to hydrogen embrittlement, which would particularly affect a bearing raceway and / or a rolling element -
  • the probability of failure of the bearing and thus of the side channel compressor can therefore be reduced by means of the inventive design of the side channel compressor, while the service life of the previously mentioned Components can be increased.
  • friction losses due to sliding contact and the Prevent the associated friction which can increase the efficiency of the side channel compressor.
  • the drive is designed as an axial field electric motor which has a stator and a rotor.
  • the stator and the rotor are designed to be disk-shaped surrounding the axis of rotation and the stator is arranged next to the rotor in the direction of the axis of rotation.
  • the other components of the side channel compressor are implemented in the same way as components that are narrow in the direction of the axis of rotation, which, due to their diameter, require a lot of installation space radially to the axis of rotation, but are designed to be narrow axially to the axis of rotation and therefore little installation space axially to the axis of rotation need.
  • This is also advantageous when integrating the side channel compressor in an anode plate of a fuel cell.
  • the compact and space-saving design of the side channel blower can be achieved by having the smallest possible surface area in relation to the volume. This offers the advantage that only a small amount of installation space is required for the customer, for example in an entire vehicle. Furthermore, the compact design of the side channel compressor, in particular with the smallest possible surface area in relation to the volume, offers thermal advantages during a cold start of the side channel compressor.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a bearing and a bearing journal with a bearing stop washer according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a bearing according to the invention and the bearing journal with a bearing stop disk according to the invention
  • Figure 4 is a perspective view of the bearing according to the invention.
  • Figure 5 shows a section of the bearing marked III in Figure 3 in an enlarged view.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a side channel compressor 1 according to the invention.
  • the housing 3 has a connection that runs all the way around an axis of rotation 4.
  • sealing chamber 30 which has at least one circumferential side channel 19, 21, with a compressor wheel 2 located in the housing 3, which is arranged rotatably about the axis of rotation 4 and is driven by the drive 6, the compressor wheel 2 being on its circumference in the area of Compressor chamber 30 has blades 5 arranged and each with a gas inlet opening 14 formed on the housing 3 and a gas outlet opening 16, which are fluidly connected to one another via the compressor chamber 30, in particular the at least one side channel 19, 21, the side channel compressor 1 at least has a bearing 27, 47.
  • the at least one side channel 19, 21 can run circumferentially around the axis of rotation 4 at least in a partial area of the housing 3, with an interrupter area 15 in the partial area in which the at least one side channel 19, 21 is not formed in the housing 3 Housing 3 is formed.
  • the drive 6 is designed as an axial field electric motor 6, which has a stator 11 and a rotor 17, the stator 11 and the rotor 17 being designed in a disk-shaped circumference around the axis of rotation 4 and where the Stator 11 is arranged in the direction of the axis of rotation 4 next to the rotor 17.
  • the rotor 17 can be located at least indirectly on a hub disk 23 of the compressor wheel 2.
  • the side channel compressor 1 has a stator space 42 and a rotor space 44, with components of the drive 6 being at least partially arranged in these spaces 42, 44.
  • the upper housing part 7 has a continuous wall 29, which is located between the stator space 42 and the rotor space 44 and causes a fluidic separation of these.
  • the stator space 42 is also at least partially surrounded and/or encapsulated by a stator housing 39.
  • the lower housing part 8 has a cylindrical bearing pin 12, with the bearing pin 12 extending in the direction of the axis of rotation 4 in such a way that its lateral surface runs circumferentially around the axis of rotation 4 and with a first bearing 27 and/or a second bearing 47 radially to the axis of rotation 4 are in contact with the lateral surface of the bearing pin 12.
  • the compressor wheel 2 can be connected to the respective bearing 27, 47 via the hub disk 23 and a hub 9.
  • Fig. 2 shows a schematic sectional view of the at least one bearing 27, 47 and the bearing pin 12 with a bearing stop disk 26 according to State of the art. It is shown that the at least one bearing 27, 47 is fixed at least indirectly, in particular in a form-fitting manner, to the bearing journal 12 by means of a fixing element 25, the bearing stop disk 26 having such a large diameter that it at least partially covers only one bearing inner ring 22 , but not covered by a sealing disk 28.
  • the fixing element 25 can be designed as a screw element 25 that has an outer diameter at least partially over its length and is inserted into an opening of the bearing pin 12 in the direction of the axis of rotation 4, the bearing pin 12 having an internal thread in the area of its opening that the screw element 25 is screwed in.
  • the screw element 25 comes into contact with the bearing stop disk 26 with a screw head with an enlarged diameter in the direction of the axis of rotation 4, the bearing stop disk 26 coming into contact at least indirectly via a spacer sleeve 33 with an end face of the bearing pin 12 in the direction of the axis of rotation 4 stands.
  • the bearing stop disk 26 is also in contact with the bearing inner ring 22 in the direction of the axis of rotation 4.
  • the respective bearing 27, 47 has a bearing outer ring 20, which is at least indirectly fixed to the compressor wheel 2 and rotates with it during operation of the side channel compressor 1.
  • the sealing disk 28 is fixed to the bearing outer ring 20, in particular positively and/or cohesively and/or non-positively, and rotates in a direction of rotation 18 with the bearing outer ring 20, the sealing disk 28 having a sealing lip 32, in particular a plastic sealing lip, on its inner diameter 32, wherein at least partial encapsulation of the bearing interior 40 is achieved by means of this sealing lip 32.
  • the sealing lip 32 is in frictional contact with the bearing inner ring 22, so that it is a sliding sealing lip 32.
  • Fig. 3 shows a schematic sectional view of a bearing 27, 47 according to the invention and the bearing journal 12 with the bearing stop disk 26 according to the invention. It is shown that the at least one bearing 27, 47 each has at least one sealing disk 28, which is on your, in particular The end face 13 facing away from the bearing groove space 40 has a plurality of flow wedges 34 which run at least approximately orthogonally to the axis of rotation 4, whereby A flow opening 10 forms between two flow wedges 34, which runs at least approximately orthogonal to the axis of rotation 4.
  • the at least one bearing 27, 47 is fixed to the bearing pin 12 via the bearing stop disk 26 by means of the fixing element 25, the bearing stop disk 26 having such a large diameter that it at least partially covers the sealing disk 28, in particular orthogonally to the axis of rotation 4.
  • At least two structural flow chambers 36 are formed in the area of an overlap 37 between the bearing stop disk 26 and the sealing disk 28.
  • the bearing outer ring 20 and the sealing disk 28, in particular during operation of the side channel compressor 1, are arranged together with the compressor wheel 2 so that they can rotate about the axis of rotation 4.
  • the bearing inner ring 22 and the bearing stop disk 26 are fixed in a rotationally fixed manner on the bearing journal 12 and therefore do not rotate with the compressor wheel 2.
  • media separation and/or encapsulation of the bearing interior 40 can be achieved by a centrifugal flow 35, in particular by means of the flow wedges 34 and/or the flow openings 10 and/or the flow chambers 36 be, in particular by directing the gaseous medium away from the covering area 37.
  • a structural flow chamber 36 is formed, into which an additional labyrinth seal 38 could be integrated.
  • the bearing outer ring 20 rotates with the sealing disk 28 and generates the outwardly directed centrifugal flow 35 of the gaseous medium through centrifugal forces on the flow wedges 34 and thereby conveys the medium away from the sealing point during operation.
  • the sealing lip 32 can be used as an encapsulating element between the sealing disk 28 and the bearing inner ring 22 omitted and replaced by the labyrinth seal 38, since the gaseous medium during operation of the side channel compressor 1 and a rotation of the bearing outer ring 20 with the sealing disk 28 results in media separation and / or encapsulation of the bearing interior 40 by the centrifugal flow 35, in particular by means of the flow wedges 34 and/or the flow openings 10 and/or the flow chambers 36 can be achieved by directing the gaseous medium away from the covering area 37.
  • Fig. 4 shows a perspective view of the bearing 27, 47 according to the invention. It is shown that the bearing 27, 47 has the bearing outer ring 20 and the bearing inner ring 22. It is also shown that the sealing disk 28 is located between the bearing outer ring 20 and the bearing inner ring 22, with the sealing disk 28 having 13 flow wedges 34 on its end face. These flow wedges 34 are designed to taper from the inside diameter of the sealing disk 28 to the outside diameter of the sealing disk 28.
  • Fig. 5 shows a section of the bearing 27, 47 marked III in Figure 3 in an enlarged view. It is shown that the flow chambers 36 are delimited, in particular on four sides, by the bearing stop disk 26, by the sealing disk 28 and by two flow wedges 34, with the flow chamber 36 in particular being open at least on the side facing away from the axis of rotation 4.
  • the labyrinth seal 38 is located in the area of the inner diameter of the sealing disk 28, the labyrinth seal 38 being located between the sealing disk 28 and the stationary bearing inner ring 22, which in particular encapsulates the bearing interior 40 at least almost friction-free during operation of the side channel compressor 1 and the surrounding area.
  • the gaseous medium is against a side flank 41 of the respective flow wedge 34.
  • the flow wedges 34 which taper towards the outer diameter of the sealing disk 28, promote an outflow of the gaseous medium in the centrifugal outflow direction 35.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (31) zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3) und einem Antrieb (6), wobei das Gehäuse (3) ein Gehäuse-Oberteil (7) und ein Gehäuse-Unterteil (8) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) umlaufend um eine Drehachse (4) verlaufenden Verdichterraum (30), der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal (19, 21) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterrad (2), das drehbar um die Drehachse (4) angeordnet ist und durch den Antrieb (6) angetrieben wird, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums (30) angeordnete Schaufelblätter (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 der Seitenkanalverdichter (1) mindestens ein Lager (27, 47) aufweist. Erfindungsgemäß weist dabei das mindestens eine Lager (27, 47) jeweils mindestens eine Dichtscheibe (28) auf, die auf Ihrer, insbesondere dem Lagerinnenraum (40) abgewandten, Stirnseite (13) mehrere zumindest annähernd orthogonal zur Drehachse (4) verlaufende Strömungskeile (34) aufweist, wobei sich zwischen jeweils zwei Strömungskeilen (34) eine Strömungsöffnung (10) ausbildet, die zumindest annähernd orthogonal zur Drehachse (4) verläuft. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (31) mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter (1).

Description

Beschreibung
Titel
Seitenkanalverdichter für ein
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zur
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige 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 eines Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das gasförmige Medium über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Nachdem das gasförmige Medium durch die Brennstoffzelle geströmt ist wird es über eine Rückführleitung zurück zur Ejektoreinheit geführt. Dabei kann der Seitenkanalverdichter zwischengeschaltet werden, der die Gasrückführung strömungstechnisch und effizienztechnisch 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 2018 204 713 A1 ist ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, 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, mit einem in dem Gehäuse umlaufend um eine Drehachse verlaufenden Verdichterraum, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal aufweist, mit einem in dem Gehäuse befindlichen Verdichterrad, das drehbar um die Drehachse angeordnet ist und durch den Antrieb angetrieben wird. Dabei weist das Verdichterrad an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums angeordnete Schaufelblätter auf und ist mit jeweils einer am Gehäuse ausgebildeten Gas-Einlassöffnung und einer Gas-Auslassöffnung, die über den Verdichterraum , insbesondere den mindestens einen Seitenkanal, fluidisch miteinander verbunden sind, wobei der Seitenkanalverdichter mindestens ein Lager aufweist.
Der aus der DE 10 2018 204 713 A1 bekannte Seitenkanalverdichter kann gewisse Nachteile aufweisen. Bei der Verwendung des Seitenkanalverdichters kann Wasserstoff in das mindestens eine verwendete Lager eindringen und die metallischen Komponenten schädigen, insbesondere mittels Wasserstoffversprödung. Dabei können beispielsweise ein Lagerinnenring und/oder ein Lageraußenring und/oder die Wälzkörper geschädigt werden, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des jeweiligen Lagers und somit des gesamten Seitenkanalverdichters erhöht.
Der aus der DE 10 2018 204 713 A1 bekannte Seitenkanalverdichter kann dabei in einer beispielhaften Ausführungsform Dichtscheiben aufweisen, die sich zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring befinden, um eine Kapselung des Lagerinnenraums zu bewirken. Dabei können die Dichtscheiben mittels einer Kunststoff-Dichtlippe zum Lagerinnenring oder zum Lageraußenring aufweisen, die mittels eines Schleifkontakts eine zumindest teilweise Kapselung des Lagerinnenraums bewirkt. Diese im Stand der Technik dargestellte beispielhafte Ausführungsform des Seitenkanalverdichters weist die Nachteile auf, dass es aufgrund des Reibkontaktes zu einer erhöhten Temperaturentwicklung im Bereich des Schleifkontakts kommt, wodurch das mindestens eine Lager und/oder weitere Bauteile des Seitenkanalverdichters beschädigt werden. Zudem kann es, insbesondere bei hohen Drehzahlen des Seitenkanalverdichters, zu Materialausbrüchen an der Dichtlippe und/oder dem jeweiligen Lagerring führen, wodurch der Seitenkanalverdichter und/oder andere Bauteile des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise ein Stack, beschädigt werden können. Des Weiteren weist diese im Stand der Technik dargestellte beispielhafte Ausführungsform des Seitenkanalverdichters den Nachteil auf, dass die kapselnde Wirkung mit der Zeit nachlässt und somit Wasserstoff in den Bereich des Lagerinnenraums gelangen kann, wodurch sich die die Ausfallwahrscheinlichkeit des jeweiligen Lagers und somit des gesamten Seitenkanalverdichters erhöht Zudem kann ein erhöhter Energieaufwand des Antriebs notwendig sein, insbesondere in Form von elektrischer Energie, aufgrund der Reibungsverluste des Schleifkontakts, was wiederum zu erhöhten Betriebskosten des Seitenkanalverdichters führt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 weist der Seitenkanalverdichter mindestens ein Lager mit jeweils mindestens einer Dichtscheibe auf, die auf Ihrer, insbesondere einem Lagerrinnenraum abgewandten, Stirnseite mehrere zumindest annähernd orthogonal zu einer Drehachse verlaufende Strömungskeile aufweist, wobei sich zwischen jeweils zwei Strömungskeilen eine Strömungsöffnung ausbildet, die zumindest annähernd orthogonal zur Drehachse verläuft. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass im Betrieb des Seitenkanalverdichters, bei dem sich die Dichtscheibe mit einem Lageraußenring mitdreht, die Strömungskeile eine Rotationsbewegung um die Drehachse mit der Dichtscheibe vollziehen. Dabei wird das Medium, bei dem es sich insbesondere um ein gasförmiges Medium und/oder Wasserstoff handelt, das sich in der Strömungsöffnung zwischen den Drehkeilen befindet, mit den Drehkeile in eine Rotationsbewegung um die Drehachse versetzt. Dabei bauen sich Zentrifugalkräfte auf das Medium auf, welche von der Drehachse und/oder dem Lagerinnenring weg gerichtet sind insbesondere zum Lageraußenring. Somit wird das Medium von einem Bereich zwischen dem Lagerinnenring und dem Innendurchmesser der Dichtscheibe weggeführt und/oder strömt weg von diesem Bereich aufgrund der eigenen Maße und der auf diese wirkenden Zentrifugalkräfte. Somit kann das Medium aus dem Bereich weggeleitet werden, von dem es in den Bereich des Lagerinnenraum vordringen könnte. Somit lässt sich eine Schädigung des jeweiligen Lagers verhindern, während sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Lagers aufgrund von Materialschädigungen, insbesondere aufgrund von Wasserstoffversprödung, reduzieren lässt. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters verringert werden und/oder die Lebensdauer des Lagers und/oder des Seitenkanalverdichters kann erhöht werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Seitenkanalverdichters möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters sind die Strömungskeile vom Innendurchmesser der Dichtscheibe zum Außendurchmesser der Dichtscheibe hin sich verjüngend ausgeführt. Auf diese Weise kann eine verbesserte Abströmung des Mediums herbeigeführt werden, da aufgrund der Verjüngung des jeweiligen Strömungskeils dieser mit einer längeren Seitenfläche auf das Medium wirken kann, insbesondere bei einer Rotation eines Verdichterrads, und der Strömungskeil bei einem Anfahren des Seitenkanalverdichters und somit einer eingeleiteten Rotation des Verdichterrads mitrotiert und somit mit einer orthogonal zur Seitenfläche wirkenden Kraft auf das aufgrund seiner Trägheit stehenden Mediums wirkt und es so in einer Abströmrichtung zum Lageraußenring hin beschleunigt. Somit kann das Medium effizient vom Bereich weggeleitet werden, in dem das gasförmige Medium in den Bereich des Lagerinnenraums vordringen könnte. So kann eine Schädigung des jeweiligen Lagers verhindert werden, während sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Lagers aufgrund von Materialschädigungen, insbesondere aufgrund von Wasserstoffversprödung, reduzieren lässt. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters verringert werden und/oder die Lebensdauer des Lagers und/oder des Seitenkanalverdichters kann erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters ist das mindestens eine Lager über eine Lager-Anschlagscheibe mittels eines Fixierelement an einem Lagerzapfen fixiert. Dabei weist die Lager-Anschlagscheibe einen derart großen Durchmesser auf, so dass diese die Dichtscheibe überdeckt, insbesondere orthogonal zur Drehachse, wobei sich im Bereich einer Überdeckung zwischen der Lager-Anschlagscheibe und der Dichtscheibe mindestens zwei konstruktive Strömungskammern ausbilden. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass bei einer Rotation des Verdichterrads das gasförmige Medium effektiv vom Bereich zwischen dem Außendurchmesser des Lagerinnenring und dem Innendurchmesser der Dichtscheibe weggeleitet wird. Zudem wird mittels der Überdeckung der Lager-Anschlagscheibe über die Dichtscheibe verhindert wird, dass das gasförmige Medium aus einem anderen Bereich des Seitenkanalverdichters parallel zur Drehachse hin nachströmen kann, da eine Kapselung der jeweiligen Strömungskammer mittels der Lager-Anschlagscheibe, insbesondere ihrem großen Durchmesser, erfolgt. Somit lässt sich die Zuverlässigkeit des Seitenkanalverdichters erhöhen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters werden die Strömungskammern, insbesondere auf vier Seiten, jeweils von der Lager-Anschlagscheibe, von der Dichtscheibe und von zwei Strömungskeilen begrenzt, wobei insbesondere die Strömungskammer zumindest auf Ihrer der Drehachse abgewandten Seite geöffnet ist. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass ein effektives Entleeren und/oder Evakuieren der Strömungskammer ermöglicht wird, indem eine Abführung des gasförmigen Mediums aus dem Bereich der Strömungskammer über die der Drehachse abgewandten geöffneten Seite, bei der es sich insbesondere um eine Öffnung handelt, möglich ist. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des mindestens einen Lagers und/oder des Seitenkanalverdichters erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Seitenkanalverdichters weist das ein Gehäuse-Unterteil den zylindrischen Lagerzapfen auf, wobei der Lagerzapfen derart in Richtung der Drehachse verläuft, dass seine Mantelfläche umlaufend um die Drehachse verläuft und wobei ein erstes Lager und/oder ein zweites Lager radial zur Drehachse mit der Mantelfläche des Lagerzapfens in Kontakt stehen. Auf diese Weise kann eine Aufnahme des ersten und/oder des zweiten Lagers mittels einer kompakten und kostengünstigen Bauform des Gehäuses und/oder des Seitenkanalverdichters realisiert werden. Zudem kann die Montag der Lager und/oder des Verdichterrads im Gehäuse vereinfacht werden, so dass weniger Montageschritte notwendig sind und somit Montagekosten eingespart werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters sind der Lageraußenring und die Dichtscheibe, insbesondere im Betrieb des Seitenkanalverdichters, mit dem Verdichterrad drehbar um die Drehachse angeordnet, wobei der Lagerinnenring und die Lager-Anschlagscheibe fixiert sind, insbesondere drehfest auf dem Lagerzapfen und/oder sich nicht mit dem Verdichterrad mitdrehen. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine kompakte Anordnung der Komponenten des Seitenkanalverdichters erzielbar ist Zudem kann die Dichtscheibe mittels einer formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit dem Lageraußenring verbunden und dreht sich mit diesem Lageraußenring und/oder dem Verdichterrad mit. Auf diese Weise lässt sich auch der zu dichtende Bereich in den Bereich eines kleineren Durchmessers verlegen, insbesondere des Innendurchmessers der Dichtscheibe, und somit lässt sich die Größe der abzudichtenden Fläche verkleinern. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters verringert werden und/oder die Lebensdauer des Lagers und/oder des Seitenkanalverdichters kann erhöht werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters befindet sich im Bereich des Innendurchmessers der Dichtscheibe eine Labyrinth- Dichtung, wobei sich die Labyrinth-Dichtung zwischen der Dichtscheibe und dem stehenden Lagerinnenring befindet, die insbesondere zumindest nahezu reibungsfrei im Betrieb des Seitenkanalverdichter eine Kapselung des Lagerinnenraums und der Umgebung erzielt. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine Dichtfunktion zwischen der Dichtscheibe und dem Lagerinnenring erzielt werden kann, die zumindest nahezu reibungsfrei ist, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem es sich insbesondere um eine Lösung handelt, bei dem eine sich an der Dichtscheibe befindliche Dichtlippe im Schleifkontakt mit dem Lagerinnenring befindet. Diese reibungsfreie Kapselung des Lagerinnenraums mittels der Labyrinth-Dichtung verhindert eine Erzeugung von Reibungshitze im Betrieb des Seitenkanalverdichters und somit wird eine Beschädigung und/oder ein Verschleiß von umliegenden Bauteilen verhindert oder zumindest verringert, wodurch die Lebensdauer des gesamten Seitenkanalverdichters erhöht wird. Zudem kann mittels der effizienten Kapselung mittels der Labyrinth-Dichtung verhindert werden, dass das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um Wasserstoff handelt aus anderen Bereichen des Seitenkanalverdichters, insbesondere dem Verdichterraum, in den Bereich des jeweiligen Lagers, insbesondere dem Lagerinnenraum, vordringen kann, wo es möglicherweise zu einer Beschädigung aufgrund von Wasserstoffversprödung führt, von der insbesondere eine Lagerlaufbahn und/oder eine Wälzkörper betroffen wäre- Somit lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Lagers und somit des Seitenkanalverdichters mittel der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters reduzieren, während die Lebensdauer der vorhergehend genannten Komponenten erhöht werden kann. Des Weiteren lassen sich Reibungsverluste aufgrund eines Schleifkontaktes und der damit einhergehenden Reibung verhindern, wodurch sich der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöhen lässt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters ist der Antrieb als ein Axialfeld- Elektromotor ausgeführt, der einen Stator und einen Rotor aufweist. Dabei sind der Stator und der Rotor scheibenförmig umlaufend um die Drehachse ausgebildet und der Stator ist in Richtung der Drehachse neben dem Rotor angeordnet. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Antrieb als eine in Richtung der Drehachse schmalere Komponente, insbesondere im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Antrieb mit einer Antriebswelle, umgesetzt werden kann, die aufgrund Ihres Durchmessers zwar viel Bauraum radial zur Drehachse benötigt, jedoch axial zur Drehachse schmal ausgeführt ist und somit axial zur Drehachse wenig Bauraum benötigt. Die weiteren Komponenten des Seitenkanalverdichters, insbesondere das Gehäuse und das Verdichterrad, sind gleichartig als in Richtung der Drehachse schmale Komponenten umgesetzt, die aufgrund Ihrer Durchmesser zwar viel Bauraum radial zur Drehachse benötigen, jedoch axial zur Drehachse schmal ausgeführt sind und somit axial zur Drehachse wenig Bauraum benötigen. Dies ist zudem vorteilhaft bei der Integration des Seitenkanalverdichters in einer Anodenplatte einer Brennstoffzelle. Bei einer Kombination des Antriebs mit den weiteren Komponenten des Seitenkanalverdichters, insbesondere dem Gehäuse und dem Verdichterrad, werden somit Komponenten mit gleichartige Bauraumausprägungen kombiniert, wodurch sich einen kompakte und platzsparende Bauweise des gesamten Seitenkanalverdichters erzielen lässt. Dabei ist die kompakte und platzsparende Bauweise des Seitenkanalverdichters durch eine möglichst geringe Oberfläche im Verhältnis zum Volumen realisieren lässt. Dies bietet den Vorteil, dass nur ein geringer Einbauraum beim Kunden benötigt wird, beispielsweise in einem Gesamt-Fahrzeug. Des Weiteren bietet die kompakte Bauweise des Seitenkanalverdichters, insbesondere mit einer möglichst geringen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen, thermische Vorteile bei einem Kaltstart des Seitenkanalverdichters.
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 beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Lagers und eines Lagerzapfens mit einer Lager-Anschlagscheibe gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Lagers und des Lagerzapfens mit einer erfindungsgemäßen Lager-Anschlagscheibe,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Lagers
Figur 5 einen in Figur 3 mit III bezeichneten Ausschnitt des Lagers in vergrößerter Darstellung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters 1 zu entnehmen.
Dabei ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 für ein Brennstoffzellensystem 31 zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse 3 und einem Antrieb 6, wobei das Gehäuse 3 ein Gehäuse-Oberteil 7 und ein Gehäuse-Unterteil 8 aufweist. Zudem weist das Gehäuse 3 einen umlaufend um eine Drehachse 4 verlaufenden Ver- dichterraum 30 auf, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal 19, 21 aufweist, mit einem in dem Gehäuse 3 befindlichen Verdichterrad 2, das drehbar um die Drehachse 4 angeordnet ist und durch den Antrieb 6 angetrieben wird, wobei das Verdichterrad 2 an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums 30 angeordnete Schaufelblätter 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 der Seitenkanalverdichter 1 mindestens ein Lager 27, 47 aufweist. Der mindestens eine Seitenkanal 19, 21 kann dabei zumindest in einem Teilbereich des Gehäuses 3 umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen, wobei in dem Teilbereich, in dem der mindestens eine Seitenkanal 19, 21 im Gehäuse 3 nicht ausgebildet ist, ein Unterbrecher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist.
Zudem ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Antrieb 6 als ein Axialfeld- Elektromotor 6 ausgeführt ist, der einen Stator 11 und einen Rotor 17 aufweist, wobei der Stator 11 und der Rotor 17 scheibenförmig umlaufend um die Drehachse 4 ausgebildet sind und wobei der Stator 11 in Richtung der Drehachse 4 neben dem Rotor 17 angeordnet ist. Dabei kann sich der Rotor 17 zumindest mittelbar an einer Nabenscheibe 23 des Verdichterrads 2 befinden. Zudem ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 einen Stator-Raum 42 und einem Rotor-Raum 44 aufweist, wobei in diesen Räumen 42, 44 zumindest teilweise Bauteile des Antriebs 6 angeordnet sind. Dabei weist das Gehäuse-Oberteil 7 eine durchgehende Wandung 29 auf, die sich zwischen dem Stator-Raum 42 und dem Rotor- Raum 44 befindet und eine fluidische Trennung dieser bewirkt. Der Stator-Raum 42 ist zudem von einem Statorgehäuse 39 zumindest teilweise umgeben und/oder gekapselt. Dabei weist das Gehäuse-Unterteil 8 einen zylindrischen Lagerzapfen 12 auf, wobei der Lagerzapfen 12 derart in Richtung der Drehachse 4 verläuft, dass seine Mantelfläche umlaufend um die Drehachse 4 verläuft und wobei ein erstes Lager 27 und/oder ein zweites Lager 47 radial zur Drehachse 4 mit der Mantelfläche des Lagerzapfens 12 in Kontakt stehen. Zudem kann das Verdichterrad 2 über die Nabenscheibe 23 und eine Nabe 9 mit dem jeweiligen Lager 27, 47 verbunden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des mindestens einen Lagers 27, 47 und des Lagerzapfens 12 mit einer Lager-Anschlagscheibe 26 gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist gezeigt, dass das mindestens eine Lager 27, 47 mittels eines Fixierelement 25 zumindest mittelbar, insbesondere formschlüssig, am Lagerzapfen 12 fixiert ist, wobei die Lager-Anschlagscheibe 26 einen derart großen Durchmesser aufweist, so dass diese nur einen Lagerinnenring 22 zumindest teilweise überdeckt, jedoch nicht eine Dichtscheibe 28 überdeckt. Dabei kann das Fixierelement 25, als ein Verschraubungselement 25 ausgeführt sein, dass zumindest teilweise über seine Länge einen Außendurchmesser aufweist und in Richtung der Drehachse 4 in eine Öffnung des Lagerzapfens 12 eingeführt ist, wobei der Lagerzapfen 12 im Bereich seiner Öffnung ein Innengewinde aufweist, in das das Verschraubungselement 25 eingeschraubt ist. Dabei kommt das Verschraubungselement 25 mit einem im Durchmesser vergrößerten Schraubenkopf in Richtung der Drehachse 4 mit der Lager-Anschlagscheibe 26 in Anlage, wobei die Lager-Anschlagscheibe 26 zumindest mittelbar über eine Abstandshülse 33 mit einer Stirnfläche des Lagerzapfens 12 in Richtung der Drehachse 4 in Anlage steht. Die Lager-Anschlagscheibe 26 steht zudem mit dem Lagerinnenring 22 in Richtung der Drehachse 4 in Anlage. Mittels einer Bearbeitung der Abstandshülse 33 vor dem Erfolgen der Montage lässt sich nun eine Lagervorspannung des jeweiligen Lagers 27, 47 erzielen, insbesondere mittels einer Lagervorspannkraft.
Zudem wird in Fig. 2 gezeigt, dass das jeweilige Lager 27, 47 einen Lageraußenring 20 aufweist, der zumindest mittelbar an dem Verdichterrad 2 fixiert ist und mit diesem im Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 mit dreht. Dabei ist die Dichtscheibe 28 am Lageraußenring 20 fixiert, insbesondere formschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig, und dreht sich in einer Drehrichtung 18 mit dem Lageraußenring 20 mit, wobei die Dichtscheibe 28 an ihrem Innendurchmesser eine Dichtlippe 32, insbesondere eine Kunststoff- Dichtlippe 32, aufweist, wobei mittels dieser Dichtlippe 32 eine zumindest teilweise Kapselung des Lagerinnenraums 40 erzielt wird. Die Dichtlippe 32 steht dabei in Reibkontakt mit dem Lagerinnenring 22, so dass es sich um eine schleifende Dichtlippe 32 handelt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Lagers 27, 47 und des Lagerzapfens 12 mit der erfindungsgemäßen Lager-Anschlagscheibe 26. Dabei ist gezeigt, dass das mindestens eine Lager 27, 47 jeweils mindestens eine Dichtscheibe 28 aufweist, die auf Ihrer, insbesondere dem Lagerrinnenraum 40 abgewandten, Stirnseite 13 mehrere zumindest annähernd orthogonal zur Drehachse 4 verlaufende Strömungskeile 34 aufweist, wobei sich zwischen jeweils zwei Strömungskeilen 34 eine Strömungsöffnung 10 ausbildet, die zumindest annähernd orthogonal zur Drehachse 4 verläuft. Zudem ist das mindestens eine Lager 27, 47 über die Lager-Anschlagscheibe 26 mittels des Fixierelement 25 am Lagerzapfen 12 fixiert, wobei die Lager-Anschlagscheibe 26 einen derart großen Durchmesser aufweist, so dass diese die Dichtscheibe 28 zumindest teilweise überdeckt, insbesondere orthogonal zur Drehachse 4. Dabei bilden sich im Bereich einer Überdeckung 37 zwischen der Lager-Anschlagscheibe 26 und der Dichtscheibe 28 mindestens zwei konstruktive Strömungskammern 36 aus. Dabei ist der Lageraußenring 20 und die Dichtscheibe 28, insbesondere im Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 , gemeinsam mit dem Verdichterrad 2 drehbar um die Drehachse 4 angeordnet. Dabei sind der Lagerinnenring 22 und die Lager-Anschlagscheibe 26 drehfest auf dem Lagerzapfen 12 fixiert und drehen sich somit nicht mit dem Verdichterrad 2 mit. Dabei kann mittels des Betriebs Seitenkanalverdichters 1 und einer Drehung des Lageraußenrings 20 mit der Dichtscheibe 28 eine Medientrennung und/oder Kapselung des Lagerinnenraums 40 durch eine zentrifugale Strömung 35, insbesondere mittels der Strömungskeile 34 und/oder der Strömungsöffnungen 10 und/oder den Strömungskammern 36 erzielt werden, insbesondere indem das gasförmige Medium aus dem überdeckenden Bereich 37 weggeleitet wird.
Durch diese speziell ausgeformte Dichtscheibe 28 mit auf der Stirnseite 13 befindlichen Strömungskeilen 34 und der dabei überdeckenden Lager-Anschlagscheiben 26 bildet sich jeweils eine konstruktive Strömungskammer 36 aus, in welche zusätzlicher eine Labyrinth-Dichtung 38 integriert werden könnte. Im Betrieb dreht sich hier der Lageraußenring 20 mit der Dichtscheibe 28 mit und erzeugt durch Zentrifugalkräfte an den Strömungskeilen 34 die nach außen gerichtete zentrifugale Strömung 35 des gasförmigen Mediums und fördert dadurch das Medium im Betrieb von der Dichtstelle weg. Daraus ergibt sich eine Dichtfunktion zwischen Dichtscheibe 28 und dem Lagerinnenring 22 mittels der resultierenden zentrifugalen Strömung 35. Somit kann ein Reibkontakt einer schleifenden Dichtlippe, wie im Stand der Technik beschrieben, verhindert werden, da die Labyrinth-Dichtung 38 keine Reibpartner aufweist. Somit kann eine Reduzierung der Gesamt-Lagerreibung herbeigeführt werden, so dass der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters 1 verbessert werden kann. Zudem kann der Lagerverschleiß reduziert werden, wodurch sich die Lagerlebensdauer erhöhen lässt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung des Lagers 27, 47 kann die Dichtlippe 32 als kapselndes Element zwischen der Dichtscheibe 28 und dem Lagerinnenring 22 entfallen und durch die Labyrinth-Dichtung 38 ersetzt werden, da das gasförmige Medium im Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 und einer Drehung des Lageraußenrings 20 mit der Dichtscheibe 28 eine Medientrennung und/oder Kapselung des Lagerinnenraums 40 durch die zentrifugale Strömung 35, insbesondere mittels der Strömungskeile 34 und/oder der Strömungsöffnungen 10 und/oder den Strömungskammern 36 erzielt werden, indem das gasförmige Medium aus dem überdeckenden Bereich 37 weggeleitet wird.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Lagers 27, 47. Dabei ist gezeigt, dass das Lager 27, 47 den Lageraußenring 20 und den Lagerinnenring 22 aufweist. Zudem ist gezeigt, dass sich die Dichtscheibe 28 zwischen dem Lageraußenring 20 und dem Lagerinnenring 22 befindet, wobei die Dichtscheibe 28 auf Ihrer Stirnseite 13 Strömungskeile 34 aufweist. Diese Strömungskeile 34 sind vom Innendurchmesser der Dichtscheibe 28 zum Außendurchmesser der Dichtscheibe 28 hin sich verjüngend ausgeführt.
Fig. 5 zeigt einen in Figur 3 mit III bezeichneten Ausschnitt des Lagers 27, 47 in vergrößerter Darstellung. Dabei ist dargestellt, dass die Strömungskammern 36, insbesondere auf vier Seiten, jeweils von der Lager-Anschlagscheibe 26, von der Dichtscheibe 28 und von zwei Strömungskeilen 34 begrenzt wird, wobei insbesondere die Strömungskammer 36 zumindest auf Ihrer der Drehachse 4 abgewandten Seite geöffnet ist. Dabei befindet sich im Bereich des Innendurchmessers der Dichtscheibe 28 die Labyrinth-Dichtung 38 befindet, wobei sich die Labyrinth-Dichtung 38 zwischen der Dichtscheibe 28 und dem stehenden Lagerinnenring 22 befindet, die insbesondere zumindest nahezu reibungsfrei im Betrieb des Seitenkanalverdichters 1 eine Kapselung des Lagerinnenraums 40 und der Umgebung erzielt. Dabei wird bei einer Rotationsbewegung in der Drehrichtung 18 der Dichtscheibe 28 das gasförmige Medium gegen eine Seitenflanke 41 des jeweiligen Strömungskeils 34. Dadurch stellt sich eine Zentrifugalkraft auf das gasförmige Medium ein, so dass diese in der zentrifugalen Strömungsrichtung 35 zum Außendurchmesser der Dichtscheibe 28 abströmt, insbesondere durch die konstruktive Strömungskammer 36 und/oder durch die Strömungsöffnung 10. Die sich zum Außendurchmesser der Dichtscheibe 28 hin verjüngenden Strömungskeile 34 begünstigen eine Abströmung des gasförmigen Mediums in der zentrifugalen Abströmrichtung 35. Dadurch kann zudem der auf den Bereich zwischen der Dichtscheibe 28 und dem Lagerinnenring 22 wirkende Druck und/oder die Konzentration des gasförmigen Mediums derart reduziert werden, so dass die Labyrinth-Dichtung 38 eine zumindest nahezu vollständige Kapselung des Lagerinnenraums 40 bewirken kann.

Claims

Ansprüche
1. Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (31) zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3) und einem Antrieb (6), wobei das Gehäuse (3) ein Gehäuse-Oberteil (7) und ein Gehäuse-Unterteil (8) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) umlaufend um eine Drehachse (4) verlaufenden Verdichterraum (30), der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal (19, 21) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterrad (2), das drehbar um die Drehachse (4) angeordnet ist und durch den Antrieb (6) angetrieben wird, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums (30) angeordnete Schaufelblätter (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 der Seitenkanalverdichter (1) mindestens ein Lager (27, 47) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lager (27, 47) jeweils mindestens eine Dichtscheibe (28) aufweist, die auf Ihrer, insbesondere dem Lagerrinnenraum (40) abgewandten, Stirnseite (13) mehrere zumindest annähernd orthogonal zur Drehachse (4) verlaufende Strömungskeile (34) aufweist, wobei sich zwischen jeweils zwei Strömungskeilen (34) eine Strömungsöffnung (10) ausbildet, die zumindest annähernd orthogonal zur Drehachse (4) verläuft
2. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskeile (34) vom Innendurchmesser der Dichtscheibe (28) zum Außendurchmesser der Dichtscheibe (28) hin sich verjüngend ausgeführt sind.
3. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lager (27, 47) über eine Lager-Anschlagscheibe (26) mittels eines Fixierelement (25) am Lagerzapfen (12) fixiert ist, wobei die Lager-Anschlagscheibe (26) einen derart großen Durchmesser aufweist, so dass diese die Dichtscheibe (28) überdeckt, insbesondere orthogonal zur Drehachse (4), wobei sich im Bereich einer Überdeckung (37) zwischen der Lager-Anschlagscheibe (26) und der Dichtscheibe (28) mindestens zwei konstruktive Strömungskammern (36) ausbilden. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskammern (36), insbesondere auf vier Seiten, jeweils von der Lager-Anschlagscheibe (26), von der Dichtscheibe (28) und von zwei Strömungskeilen (34) begrenzt wird, wobei insbesondere die Strömungskammer (36) zumindest auf Ihrer der Drehachse (4) abgewandten Seite geöffnet ist. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse-Unterteil (8) einen zylindrischen Lagerzapfen (12) aufweist, wobei der Lagerzapfen (12) derart in Richtung der Drehachse (4) verläuft, dass seine Mantelfläche umlaufend um die Drehachse (4) verläuft und wobei das erste Lager (27) und/oder das zweite Lager (47) radial zur Drehachse (4) mit der Mantelfläche des Lagerzapfens (12) in Kontakt stehen. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lageraußenring (20) und die Dichtscheibe (28), insbesondere im Betrieb des Seitenkanalverdichters (1), mit dem Verdichterrad (2) drehbar um die Drehachse (4) sind, wobei ein Lagerinnenring (22) und die Lager-Anschlagscheibe (26) fixiert sind, insbesondere drehfest auf dem Lagerzapfen (12), und/oder sich nicht mit dem Verdichterrad (2) mitdrehen. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich des Innendurchmessers der Dichtscheibe (28) eine Labyrinth-Dichtung (38) befindet, wobei sich die Labyrinth-Dichtung (38) zwischen der Dichtscheibe (28) und dem stehenden Lagerinnenring (22) befindet, die insbesondere zumindest nahezu reibungsfrei im Betrieb des Seitenkanalverdichters (1) eine Kapselung des Lagerinnenraums (40) und der Umgebung erzielt. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (6) als ein Axialfeld- Elektro- motor (6) ausgeführt ist, der einen Stator (11) und einen Rotor (17) aufweist, wobei der Stator (11) und der Rotor (17) scheibenförmig umlaufend um die Drehachse (4) ausgebildet sind und wobei der Stator (11) in Richtung der Drehachse (4) neben dem Rotor (17) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (31) mit einem Seitenkanalverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei der Seitenkanalverdichter (1) in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31) angeordnet ist.
PCT/EP2023/051623 2022-03-29 2023-01-24 Seitenkanalverdichter für ein brennstoffzellensystem zur förderung und/oder verdichtung eines gasförmigen mediums, brennstoffzellensystem WO2023186364A1 (de)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2713091A1 (de) * 1977-03-24 1978-09-28 Siemens Ag Seitenkanalverdichter mit mindestens einem am gehaeusedeckel des seitenkanalverdichters angeordneten lager
JP2011220264A (ja) * 2010-04-12 2011-11-04 Honda Motor Co Ltd 遠心型圧縮機
DE102013000129A1 (de) * 2012-10-16 2014-04-17 Johann-Marius Milosiu Verfahren und Sperrvorrichtung zwischen Flüssigkeit und Gas oder Vakuum
DE102018204713A1 (de) 2018-03-28 2019-10-02 Robert Bosch Gmbh Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2713091A1 (de) * 1977-03-24 1978-09-28 Siemens Ag Seitenkanalverdichter mit mindestens einem am gehaeusedeckel des seitenkanalverdichters angeordneten lager
JP2011220264A (ja) * 2010-04-12 2011-11-04 Honda Motor Co Ltd 遠心型圧縮機
DE102013000129A1 (de) * 2012-10-16 2014-04-17 Johann-Marius Milosiu Verfahren und Sperrvorrichtung zwischen Flüssigkeit und Gas oder Vakuum
DE102018204713A1 (de) 2018-03-28 2019-10-02 Robert Bosch Gmbh Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium

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