Titel

Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder

Verdichtung von einem gasförmigen Medium

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoff zellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Me dium, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeu gen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.

Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasför mige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das gasförmige Medium aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung ei nes Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektorein heit führt das gasförmige Medium über eine Verbindungsleitung eines Nieder druckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Nachdem das gasförmige Me dium durch die Brennstoffzelle geströmt ist wird es über eine Rückführleitung zu rück zur Ejektoreinheit geführt. Dabei kann der Seitenkanalverdichter zwischen geschaltet werden, der die Gasrückführung strömungstechnisch und effizienz technisch unterstützt. Zudem werden Seitenkanalverdichter zur Unterstützung des Strömungsaufbaus im Brennstoffzellenantrieb eingesetzt, insbesondere bei einem (Kalt)-Start des Fahrzeugs nach einer gewissen Standzeit. Das Antreiben dieser Seitenkanalverdichter erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden.

Aus der DE 10 2007 053 016 Al ist ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoff zellensystem bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasser stoff, gefördert und/oder verdichtet wird. Der Seitenkanalverdichter weist ein in einem Gehäuse umlaufendes Verdichterrad auf, das auf einer Antriebswelle be festigt ist und von einem Antrieb in Rotation versetzt wird und somit drehbar um eine Drehachse angeordnet ist. Weiterhin weist der Seitenkanalverdichter einen in dem Gehäuse befindlichen Verdichterraum auf, der mindestens einen umlau fenden Seitenkanal aufweist. Das Verdichterrad weist dabei an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums angeordnete Förderzellen auf. Dabei wird insbe sondere der Verdichterraum mittels der Förderzellen und dem mindestens einen Seitenkanal ausgebildet. Im Gehäuse ist zudem jeweils eine Gas- Einlassöffnung und eine Gas-Auslassöffnung angeordnet, die über den mindestens einen Sei tenkanal fluidisch miteinander verbunden sind. Dabei weist das Gehäuse eine erste und eine zweite dem Verdichterrad zugewandte Stirnfläche auf, die jeweils radial zur Drehachse verlaufen. In diesen Bereichen bildet sich jeweils ein innerer und ein äußerer Axialspalt zwischen dem Gehäuse und dem Verdichterrad aus. Bei einer Drehung des Verdichterrads im Gehäuse bildet sich zwischen dem Schaufelblatt und dem Seitenkanal eine Zirkulationsströmung aus, durch die eine Energieeinleitung vom Verdichterrad ins gasförmige Medium erfolgt. Das gasför mige Medium strömt dabei axial in Richtung der Drehachse in den inneren, ei nem inneren Begrenzungsring zugewandten, Bereich der Förderzelle ein und tritt axial in Richtung der Drehachse der äußeren, dem inneren Begrenzungsring ab gewandten, Bereich der Förderzelle wieder aus. Beim Durchströmen der Förder zelle des Schaufelblattes erfährt das gasförmige Medium eine Dralländerung durch die im umlaufenden Seitenkanal ein Druckanstieg bewirkt wird.

Der aus der DE 10 2007 053 016 Al bekannte Seitenkanalverdichter kann ge wisse Nachteile aufweisen. Bei der Ausbildung der Förderzelle mit nur dem inne ren Begrenzungsring liegen ungünstige Strömungsverhältnisse vor. Dieser Nach teil tritt bei der Förderung des gasförmigen Mediums auf, insbesondere beim Ein strömen und beim Ausströmen des gasförmigen Mediums in die Förderzelle, wo bei insbesondere der mit diesem Seitenkanalverdichter erzielbare Förderdruck und der Wirkungsgrad niedrig sind. Weiterhin bietet der aus der DE 10 2007 053 016 Al bekannte Seitenkanalverdichter die Nachteile, dass das gasförmige Me dium aus Förderzelle radial und axial zur Drehachse ausströmen und/oder ein strömen kann. Zudem kann die Förderzelle des Verdichterrads, insbesondere bei einem Stillstand des Verdichterrads, vollständig in Richtung der Drehachse durchströmt werden, wodurch bei einer beispielhaften Ausführung des Seitenka nalverdichter mit zwei Seitenkanälen eine Kapselung der Seitenkanäle zueinan der nicht mehr oder zumindest nur eingeschränkt möglich ist. Weiterhin kann durch das radial zur Drehachse aus der Förderzelle ausströmende gasförmige Medium der mindestens eine Seitenkanal, der sich insbesondere axial zur Dreh achse neben der jeweiligen Förderzelle des Verdichterrads befindet, nicht mehr ausreichend mit dem gasförmigen Medium bedient werden. Dieser Effekt wird zudem durch Fliehkrafteffekte aufgrund der Masse des gasförmigen Mediums verstärkt, da bei einer Rotation des Verdichterrads ein gefördertes gasförmiges Medium durch die Fliehkraft immer verstärkt radial in Richtung der Drehachse nach außen drängt, als dass es axial zur Drehachse strömt. Aufgrund der erhöh ten Reibung zwischen dem gasförmigen Medium und dem Gehäuse, insbeson dere radial zur Drehachse, wird die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums reduziert und die Temperatur des gasförmigen Mediums kann sich durch dieses Reibung erhöhen, was wiederum einer verbesserten Verdichtung entgegenwirkt. Weiterhin führt dieser Effekt zu einem verminderten Förderdruck und einem reduzierten Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters

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.

Dabei weist der Seitenkanalverdichter ein Verdichterrad auf, wobei das Verdich terrad zumindest eine Laufradschale aufweist , wobei diese eine radial zur Dreh achse verlaufende Seitenwand und/oder einen parallel zur Drehachse verlaufen den äußeren Begrenzungsring aufweist, wodurch insbesondere eine fluidische Kapselung der Förderzelle und/oder des Seitenkanals bewirkt wird. Somit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eine kostengünstige und/oder effiziente Kapse lung des Verdichterraums, insbesondere eines Seitenkanals mit der Förderzelle des Verdichterrads, erzielt werden kann. Mittels des äußeren Begrenzungsrings wird dabei verhindert, dass das gasförmige Medium aus der Förderzelle des Ver dichterrads, insbesondere der Laufradschale, radial zur Drehachse ausströmen kann, insbesondere in einen Bereich, bei dem es sich nicht um den jeweiligen Seitenkanal handelt, mit dem eine fluidische Verbindung hergestellt werden soll. Darüber hinaus wird mittels der Seitenwand des Verdichterrads und/oder der je weiligen Laufradschale verhindert, dass das gasförmige Medium aus der Förder zelle des Verdichterrads, insbesondere der Laufradschale, radial zur Drehachse ausströmen kann, insbesondere in einen Bereich, bei dem es sich nicht um den jeweiligen Seitenkanal handelt. Dies bietet den Vorteil, dass sich eine Strömung des gasförmigen Mediums nur in dem Bereich einstellt, in dem Sie erwünscht ist, nämlich zwischen dem Seitenkanalverdichter und der Förderzelle. Reibungsver luste aufgrund einer Reibung des Mediums mit anderen Bereichen des Seitenka nalverdichters, die eine Verschlechterung der Förderwirkung und/oder Verdich tungswirkung des Seitenkanalverdichters auf das gasförmigen Mediums bewir ken, können weitestgehend reduziert und/oder vermieden werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöhen lässt. Zudem wird eine unerwünschte Temperaturerhöhung des gasförmigen Mediums aufgrund uner wünschter Reibung zumindest nahezu verhindert oder reduziert. Zudem kann der Vorteil erzielt werden, die Zirkulationströmung zwischen der Förderzelle und dem jeweiligen Seitenkanal derart optimiert werden kann, dass sich eine verbesserte Förderwirkung ergibt. Dabei wird das gasförmige Medium in der Förderzelle durch die Seitenwand und/oder den äußeren Begrenzungsring derart geführt wird, dass es gerichtet in den mindestens einen Seitenkanal einströmen kann und sich eine verbesserte Zirkulationsströmung in der Förderzelle und/oder im Seitenkanal ausbilden kann. Dies führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters mittels eines erhöhten Förderdruck im Verdichterraum.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Seitenkanalverdichter mög lich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verdichterrad eine erste Laufradschale und eine zweite Laufradschale auf, wobei diese insbeson dere axial zur Drehachse nebeneinander angeordnet sind. Zudem kann dabei die mindestens eine Laufradschale zumindest teilweise aus einem Kunststoff herge stellt sein. Auf diese Weise können die Herstellkosten des Verdichterrads redu ziert werden, wobei im Folgenden die verringerten Kosten während der Phasen des Herstellprozesses erläutert werden. Die Materialkosten, insbesondere die Rohmaterialkosten, für das Verdichterrad und/oder die Laufradschalen, die zu mindest teilweise oder zumindest nahezu vollständig aus mindestens einem Kunststoff bestehen, sind dabei geringer als die Materialkosten, insbesondere die Rohmaterialkosten, eines Verdichterrads aus einem Gussmaterial. Des Weiteren muss bei der Ausformung des Verdichterrads und/oder der Laufradschalen aus Kunststoff, beispielsweise mittels eines Spritzgußverfahrens, weniger Energie, insbesondere elektrische Energie, aufgewendet werden, als bei der Ausformung des Verdichterrads aus einem Gussmaterial, insbesondere mittels eines Gießver fahrens. Weiterhin sind die Kosten für die Nachbearbeitung des Verdichterrads und/oder der Laufradschalen, bei dem als Werkstoff Kunststoff verwendet wird, geringer im Vergleich zu dem Verdichterrad und/oder den Laufradschalen aus Gussmaterial, insbesondere aufgrund der Materialhärte und dem daraus resultie renden Werkzeugverschleiß und einer für das Verdichterrad nachteiligen Tempe raturentwicklung bei der Nachbearbeitung. Auf diese Weise können durch die Verwendung von Kunststoff anstelle von beispielsweise einem Gussmaterial zum einen die Herstellkosten reduziert werden. Zum anderen lässt sich das Gesamt gewicht und/oder die Gesamtmasse des Verdichterrads reduzieren. Folglich weist das Verdichterrad somit ein geringeres Massenträgheitsmoment, insbeson dere bei einer Rotationsbewegung, auf. Auf diese Weise ergibt sich damit der Vorteil, dass das Verdichterrad eine verbesserte Rotationsdynamik und ein schnelleres Ansprechverhalten beim Beschleunigen und/oder Abbremsen in die und/oder aus der Rotationsbewegung aufweist, wobei sich somit die gewünschte Drehzahländerung des Seitenkanalverdichters schneller erreichen lässt. Somit kann ein gewünschter Betriebszustand des Anodenkreislaufs und somit der ge samten Brennstoffzelle in einem kürzeren Zeitraum herbeigeführt werden. Zudem lässt sich der Vorteil erzielen, dass die benötige Energie, insbesondere die elekt rische Energie, für einen Antrieb des Seitenkanalverdichters reduziert werden kann, da es für eine Beschleunigung und/oder Abbremsung des Verdichterrads aufgrund des geringeren Massenträgheitsmomentes weniger Energie, insbeson dere elektrische Energie, aufgewendet werden muss. Auf diese Weise lassen sich die gesamten Betriebskosten und/oder die Herstellkosten des Brennstoffzel lensystems reduzieren.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Verdichterrad nur eine erste Laufradschale auf und das Gehäuse nur einen ersten umlaufenden Seitenkanal auf. Auf diese Weise kann eine kompakte und platzsparende Bauweise des Sei tenkanalverdichters erzielt werden, da die Breite des Verdichterrads reduziert werden kann und somit die Breite des gesamten Seitenkanalverdichters reduziert wird. Insgesamt werden zudem weniger Bauteile für den Seitenkanalverdichter benötigt. Dies ist insbesondere für ein Gesamtfahrzeug vorteilhaft bei dem der vorhandene Einbauraum für die Komponenten des Brennstoffzellensystems be grenzt ist. Zudem bittet diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanal- Verdichters den Vorteil, dass nur ein erstes funktionsrelevantes Spaltmaß zwi schen dem Verdichterrad und dem Gehäuse eingestellt werden muss, um eine Kapselung des Verdichterraums zu erreichen. Ein zweites funktionsrelevantes Spaltmaß sollte nur ausreichend groß gewählt werden, so dass es bei einer Tem peraturänderung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizien ten nicht zu einer Kollision des Verdichterrads mit dem Gehäuse kommt. Somit lässt sich der Montageaufwand reduzieren und somit können die Montagekosten gesenkt werden. Darüber hinaus kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seiten kanalverdichters reduziert werden, da der Seitenkanalverdichter nur ein funkti onsrelevantes Spaltmaß anstelle von mindestens zwei funktionsrelevanten Spalt maßen aufweist, die jeweils eingestellt werden müssten und somit auch eine Fehleranfälligkeit bei der Montage aufweisen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verdichterrad mittels mindestens eines umlaufenden Mitnehmerflanschs mit einer Antriebswelle ver bunden, wobei der jeweilige Mitnehmerflansch mit seinem Innendurchmesser ra dial zur Drehachse kraftschlüssig, insbesondere mittels eines Pressverbands, mit der Antriebswelle verbunden ist. Dabei steht der jeweilige Mitnehmerflansch zu mindest annähernd axial zur Drehachse mit der jeweiligen Laufradschale in An lage. Zudem sind die Mitnehmerflansche derart auf der Antriebswelle fixiert sind, dass diese jeweils eine axial zur Drehachse verlaufende Vorspannkraft auf die jeweilige Laufradschale ausüben. Dabei weist der jeweilige Mitnehmerflansch mindestens eine zumindest annähernd parallel zur Drehachse verlaufende Fixier bohrung auf, in die mindestens ein zumindest annähernd parallel zur Drehachse verlaufender Fixierzapfen der jeweiligen Laufradschale hineinragt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die jeweilige Laufradschale in Rich tung der Drehachse mittels des jeweiligen Mitnehmerflansches und zumindest mittelbar mittels der jeweiligen anderen Laufradschale formschlüssig fixiert ist. Orthogonal zur Drehachse ist die jeweilige Laufradschale zum einen formschlüs sig mittels des in die Fixierbohrung ragenden Fixierzapfens fixiert und zum ande ren zusätzlich kraftschlüssig mittels der Anlage an der jeweils anderen Laufrad schale. Dies bietet den Vorteil, dass zum einen ein hohes motorseitiges An triebsmoment auf das Verdichterrad, insbesondere die Laufradschalen übertra gen werden kann. Dies führt zu einer geringeren Ausfahlwahrscheinlichkeit des gesamten Seitenkanalverdichters auch bei stark schwankenden Drehmomenten und/oder Drehmomentüberhöhungen aus dem Antrieb. Zum anderen bietet die erfindungsgemäße Verbindung des Verdichterrads mitels mindestens zwei Mit nehmerflansche den Vorteil, dass bei zumindest einer schwimmenden und/oder einer Loslagerung der Antriebswelle die funktionsrelevanten Spaltmaße ausgegli chen werden können. Somit kann eine zuverlässige Kapselung des mindestens einen Seitenkanals oder der jeweiligen Seitenkanäle erzielt werden, wodurch der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters verbessert werden kann. Zudem wird eine Montage und Demontage des Verdichterrads auf der Welle durch die Ver wendung der Mitnehmerflansche vereinfacht und somit können die Montage- und Wartungskosten reduziert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bewirkt die jeweilige Seitenwand der jeweiligen Laufradschale eine fluidische Trennung des ersten Seitenkanals vom zweiten Seitenkanal. Dabei erfolgt eine Trennung und/oder Aufteilung der einen Förderzelle im Verdichterrad mitels der jeweiligen Seitenwände in zwei in Rich tung der Drehachse nebeneinander angeordneter Förderzellen. Jeder dieser bei den Förderzellen steht dabei in einem Strömungsaustausch mit jeweils einem Seitenkanal, wobei sich insbesondere eine Zirkulationsströmung ausbildet. Auf diese Weise kann mitels der fluidischen Trennung der beiden Seitenkanäle durch die jeweiligen Seitenwände der Vorteil erzielt werden, dass sich zwei von einander unabhängige Verdichterräume im Seitenkanalverdichter realisieren las sen. Dies ist zum einen vorteilhaft, da bei einem Ausfall eines der beiden Ver dichterräume, beispielsweise durch ein Kapselungsproblem und/oder Dichtig keitsproblem, der andere Verdichterraum unabhängig weiterfördern kann und sich somit kein Totalausfall der Funktionalität des Seitenkanalverdichters ein stellt. Zum anderen ist dies vorteilhaft, da verhindert wird, dass sich die Strömun gen, insbesondere die Zirkulationsströmungen zwischen der jeweiligen Förder zelle mit dem jeweiligen Seitenkanal gegenseitig strömungstechnisch nachteilig beeinflussen. Auf diese Weise kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenka nalverdichters reduziert werden und zudem kann der Wirkungsgrad des Seiten kanalverdichters erhöht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich ein radial um die Dreh achse umlaufender Luftspalt axial zur Drehachse zwischen den Laufradschalen, wobei die jeweilige Laufradschale zusätzlich einen Hohlraum aufweist und wobei sich der Hohlraum jeweils in der der jeweiligen anderen Laufradschale zuge wandten Stirnfläche der jeweiligen Laufradschale befindet. Zudem ist ein Fe- derelement, insbesondere eine Tellerfeder, in diesem Hohlraum angeordnet, wo bei das Federelement die Laufradschalen mittels einer Federkraft axial voneinan der weg und gegen den jeweiligen Mitnehmerflansch drückt, insbesondere in Richtung der Drehachse. Des Weiteren sind das Gehäuse und/oder die Mitneh merflansche und/oder die Antriebswelle zumindest teilweise aus einem metalli schen Werkstoff hergestellt, wobei die Bauteile einen zumindest annähernd glei chen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei weist der metallische Werkstoff zumindest teilweise Aluminium und/oder Stahl und/oder eine metalli sche Legierung auf. Auf diese Weise kann eine konstante und zumindest annä hernd parallel zur Drehachse verlaufende Anpresskraft auf die jeweiligen Lauf radschalen ausgeübt werden. Dabei werden die Laufradschalen derart gegen den jeweiligen Mitnehmerflansch gedrückt, dass sich die Gesamt-Breite des Ver- dichterrads über einen weiten Temperaturbereich, beispielsweise von -20°C bis 80°C, nahezu nicht ändert oder zumindest nur geringfügig ändert. Dabei kann eine Änderung der Breite, insbesondere in Richtung der Drehachse, der jeweili gen Laufradschale aufgrund der Ausdehnung des Materials bei einer Tempera turänderung durch die variable Breite des Luftspalts ausgeglichen werden. So bald die Laufradschalen an Breite zunehmen wird der Luftspalt kleiner, wobei die Feder für ein konstantes Anpressen der jeweiligen Laufradschale an den jeweili gen Mitnehmerflansch sorgt. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass sich auch das mindestens eine funktionsrelevante Spaltmaße nicht ändert oder zumindest nur geringfügig ändert, so dass es insbesondere nicht zu einer derarti gen Erweiterung des mindestens einen funktionsrelevanten Spaltmaßes kommt, dass eine pneumatische Kapselung und/oder Trennung der Seitenkanäle aufge hoben wird. Somit lässt sich die Zuverlässigkeit und/oder der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters erhöhen oder zumindest beibehalten, auch beim Durch laufen eines weiten Temperaturbereichs.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die jeweilige Laufrad schale mit dem jeweiligen Mitnehmerflansch stoffschlüssig verbunden, insbeson dere mittels eines Klebeprozesses, und/oder dass die jeweilige Laufradschale mit dem jeweiligen Mitnehmerflansch formschlüssig verbunden ist, insbesondere mittels eines Gießprozesses bei der Herstellung der jeweiligen Laufradschale.

Auf diese Weise kann die Anzahl der verwendeten Bauteile für den Seitenkanal verdichter reduziert werden und somit können die Montagekosten und/oder die Bauteilkosten und/oder die Gesamtkosten des Seitenkanalverdichters reduziert werden. Zudem kann die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters erhöht wer den, da es sich bei der erfindungsgemäßen Verbindung der jeweiligen Laufrad schale mit dem Mitnehmerflansch um eine stabile Verbindung handelt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Gehäuse zwei Gas- Einlass öffnungen und zwei Gas-Auslassöffnungen auf, wobei jeweils eine Gas-Einlass- und Auslassöffnung fluidisch mit dem ersten Seitenkanal und/oder wobei jeweils eine Gas-Einlass- und Auslassöffnung fluidisch mit dem zweiten Seitenkanal ver bunden ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass bei jeweils einer separaten Gas- Einlassöffnung und einer separaten Gas- Auslassöffnung des je weiligen Verdichterraums der Seitenkanalverdichter mit zwei Eingangsleitungen und zwei Ausgangsleitungen des Brennstoffzellensystems verbunden werden kann. Dadurch kann der Seitenkanalverdichter beispielsweise an zwei unter schiedlichen Positionen des Anodenkreislaufs fluidisch eingebunden werden, bei- spielsweise einmal stromaufwärts einer Strahlpumpe und einmal stromabwärts der Strahlpumpe.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrie ben.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seiten kanalverdichters und eines erfindungsgemäßen Verdichterrads ge mäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 die in Figur 2 mit C-C bezeichnete Seitenansicht einer Laufradschale,

Figur 3 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Seitenka nalverdichters und des erfindungsgemäßen Verdichterrads gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der Darstellung in Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungs gemäßen Seitenkanalverdichters 1 und eines erfindungsgemäßen Verdichterrads 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Der Seitenkanalverdichter 1 ist dabei als eine Komponente, beispielsweise ne ben einer Strahlpumpe, in einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems 37 vorgesehen und dient zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Der Seitenkanalverdichter 1 weist dabei ein Gehäuse 3 auf, mit einem in dem Gehäuse 3 befindlichen Verdichterraum 30, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal 19, 21 aufweist. Dabei befindet sich das Verdichterrad 2 in dem Gehäuse 3, wobei das Verdichterrad 2 drehbar um eine Drehachse 4 angeordnet ist und wobei das Verdichterrad 2 an seinem um die Drehachse 4 umlaufenden Umfang im Bereich des Verdichterraums 30 ange ordnete Förderzellen 5 aufweist. Die Förderzellen 5 sind auf der der Drehachse 4 zugewandten Seite durch einen umlaufenden inneren Begrenzungsring 26 be grenzt. Das Gehäuse 3 weist dabei mindestens jeweils eine Gas- Einlassöffnung 14 und eine Gas-Auslassöffnung 16 auf, die über den Verdichterraum 30 und den mindestens einen Seitenkanal 19, 21, fluidisch miteinander verbunden sind. Weiterhin weist das Gehäuse 3 radial zur Drehachse 4 verlaufend jeweils min destens eine erste Stirnfläche 32 und/oder eine zweite Stirnfläche 34 auf, die je weils dem Verdichterrad 2 zugewandt ist. Dabei bildet sich im Bereich der Spalt flächen jeweils mindestens ein funktionsrelevantes Spaltmaß 36, 38 aus.

Des Weiteren weist das Gehäuse 3 im Bereich des Verdichterraums 30 einen ersten umlaufenden Seitenkanal 19 und/oder einen zweiten umlaufenden Seiten kanal 21 auf. Dabei verläuft eine Vielzahl an Förderzellen 5 umlaufend um die Drehachse 4 in dem nahezu vollständig um die Drehachse 4 umlaufenden Ver dichterraum 30 des Gehäuses 3 im Verdichterrad 2. Dabei verlaufen die Seiten kanäle 19, 21 derart im Gehäuse 3 in Richtung der Drehachse 4, dass diese axial zur Förderzelle 5 beidseitig verlaufen. Die Seitenkanäle 19, 21 können dabei zu mindest in einem Teilbereich des Gehäuses 3 umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen, wobei in dem Teilbereich, in dem die Seitenkanäle 19, 21 im Gehäuse 3 nicht ausgebildet ist, ein Unterbrecher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 kann dabei zweiteilig ausgebildet sein und ein Gehäuse- Oberteil 7 und eine Gehäuse-Unterteil 8 aufweisen.

Zudem ist in Fig. 1 gezeigt, dass das Verdichterrad 2 zumindest eine Laufrad schale 10, 12 aufweist, wobei diese jeweils eine radial zur Drehachse 4 verlau fende Seitenwand 13, 23 und/oder jeweils einen parallel zur Drehachse 4 verlau fenden äußeren Begrenzungsring 28 aufweist, wodurch insbesondere eine fluidi- sche Kapselung der Förderzelle 5 und/oder des Seitenkanals 19, 21 bewirkt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform kann dabei das Verdichterrad 2 eine erste Laufradschale 10 und eine zweite Laufradschale 12 aufweisen, wobei diese insbesondere axial zur Drehachse 4 nebeneinander angeordnet sind. Zudem ist dabei die mindestens eine Laufradschale 10, 12 zumindest teilweise aus einem Kunststoff hergestellt ist. Dabei ist es möglich, dass die jeweiligen Laufradscha len 10, 12 vollständig aus einem Kunststoff hergestellt sind oder das es sich um einen Verbund von Materialien handelt, bei dem beispielweise unterschiedliche Kunststoffe und/oder weitere Material zum Einsatz kommen. Die jeweilige Seiten wand 13, 23 der jeweiligen Laufradschale 10, 12 bewirkt dabei eine fluidische Trennung des ersten Seitenkanals 19 vom zweiten Seitenkanal 21. Des Weiteren bewirkt die jeweilige Seitenwand 13, 23 eine fluidische Trennung des jeweiligen Seitenkanals 13, 21 von dem jeweiligen Volumenbereich außerhalb des äuperen Begrenzungsrings 28 und/oder innerhalb des inneren Begrenzungsrings 26. Der Verdichterraum 30 kann dabei, wie in Fig. 1 gezeigt, mittels der jeweiligen min destens einen Seitenwand 13, 23 in zwei fluidisch und/oder pneumatisch ge trennte Verdichterräume 30a, 30b aufgeteilt sein.

Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 eine An triebswelle 9 und einen Antrieb 6 aufweist, wobei die Antriebswelle 9 mit einem Ende axial zur Drehachse 4 zumindest kardanisch mit dem Antrieb 6 verbunden ist. Dabei befindet sich ein erstes Lager 27 am Außendurchmesser der Antriebs welle 9 axial im Bereich zwischen dem Antrieb 6 und dem Verdichterrad 2 und ein zweites Lager 47 auf der dem Antrieb 6 abgewandten Seite des Verdichter- rads 2. Bei den Lagern 27, 47 kann es sich um Wälzlager 27, 47 handeln, insbe sondere um Kugellager 27, 47. Sobald ein Drehmoment vom Antrieb 6 auf das Verdichterrad 2 übertragen wird, wird das Verdichterrad 2 in Rotationsbewegung versetzt und die wenigstens eine Förderzelle 5 bewegt sich in einer Rotationsbe wegung umlaufend um die Drehachse 4 durch den Verdichterraum 30 im Ge häuse 3. Dabei wird ein schon im Verdichterraum 30 befindliches gasförmiges Medium durch die mindestens eine Förderzelle 5 mitbewegt und dabei gefördert und/oder verdichtet. Zudem findet eine Bewegung des gasförmigen Mediums, insbesondere ein Strömungsaustausch, zwischen der mindestens einen Förder zelle 5 und dem mindestens einen jeweiligen Seitenkanal 19, 21 statt. Dabei ist es für die Förderwirkung entscheidend, dass sich im Betrieb eine Zirkulations strömung 50 innerhalb des jeweiligen Seitenkanals 19, 21 ausbilden kann.

Mittels der funktionsrelevanten Spaltmaße 36, 38 wird erreicht, dass die Seiten kanäle 19, 21 gekapselt und somit pneumatisch voneinander getrennt sind. Da bei bildet das Verdichterrad 2 und das Gehäuse 3, insbesondere das Gehäuse- Oberteil 7 und/oder das Gehäuse-Unterteil 8, ein jeweiliges funktionsrelevantes Spaltmaß 36, 38 aus, das derart klein ist, dass das gasförmige Medium das je weilige Spaltmaß 36, 38 nicht passieren und/oder nicht vorbeiströmen kann. Da bei weisen die erwähnten Flächenpaarungen 32 zu 40 und/oder 34 zu 42 in der Regel ein möglichst geringes Spiel zueinander auf. Des Weiteren strömt das gas förmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein unverbrauchtes Rezirku- lationsmedium aus dem Brennstoffzellensystem 37, handelt, über die Gas- Ein lassöffnung 14 in den Verdichterraum 30 des Seitenkanalverdichters 1 ein und/o der wird dem Seitenkanalverdichter 1 zugeführt und/oder wird aus dem Bereich, der der Gas- Einlassöffnung 14 vorgelagert ist, angesaugt. Dabei wird das gasför mige Medium nach erfolgtem Durchlauf durch die Gas-Auslassöffnung 16 des Seitenkanalverdichters 1 abgeleitet und strömt zurück in das Brennstoffzellensys tem 37. Des Weiteren ist eine Symmetrieachse 48 gezeigt, die orthogonal zur Drehachse 4 und symmetrisch mittig durch die Schnittgeometrie des Verdichter- rads 2 verläuft.

Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass das Verdichterrad 2 mittels mindestens eines umlaufenden Mitnehmerflanschs 22, 24 mit der Antriebswelle 9 verbunden ist, wobei der jeweilige Mitnehmerflansch 22, 24 mit seinem Innendurchmesser radial zur Drehachse 4 kraftschlüssig, insbesondere mittels eines Pressverbands, mit der Antriebswelle 9 verbunden ist. Dabei steht der jeweilige Mitnehmerflansch 22, 24 zumindest annähernd axial zur Drehachse 4 mit der jeweiligen Laufrad schale 10, 12 in Anlage, wobei die Mitnehmerflansche 22, 24 derart auf der An triebswelle 9 fixiert sind, dass diese jeweils eine axial zur Drehachse 4 verlau fende Vorspannkraft auf die jeweilige Laufradschale 10, 12 ausüben. Zudem kann beispielsweise die erste Laufradschale 10 mit einer dritten Stirnfläche 40 und/oder die zweite Laufradschale 12 mit einer vierten Stirnfläche 42 jeweils mit einer fünften Stirnfläche 44 eines ersten Mitnehmerflansches 22 und/oder mit ei ner sechsten Stirnfläche 46 eines zweiten Mitnehmerflansches 24 in Anlage ste hen, insbesondere nahezu axial zur Drehachse 4. Dabei wirkt die axial zur Dreh achse 4 wirkende Vorspannkraft über die Flächen 40, 42, 44, 46, 54, 56 auf die jeweiligen Bauteile 10, 12, 13, 22, 24 und sorgt für einen stabilen Montagever bund des Verdichterrads 2, wobei sich auch hohe Drehmomente seitens des An triebs 6 auf das Verdichterrrad 2 übertragen lassen. Zudem weist der jeweilige Mitnehmerflansch 22, 24 mindestens eine zumindest annähernd parallel zur Drehachse 4 verlaufende Fixierbohrung 20 auf, in die mindestens ein zumindest annähernd parallel zur Drehachse 4 verlaufender Fixierzapfen 18 der jeweiligen Laufradschale 10, 12 hineinragt. Dabei können das Gehäuse 3 und/oder die Mit nehmerflansche 22, 24 und/oder die Antriebswelle 9 zumindest teilweise aus ei nem metallischen Werkstoff hergestellt sein, wobei die Bauteile einen zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei dem metal lischen Werkstoff kann es sich dabei zumindest teilweise um Aluminium und/oder Stahl und/oder eine metallische Legierung handeln.

Wie in Fig. 1 dargestellt befindet sich ein radial um die Drehachse 4 umlaufender Luftspalt 52 axial zur Drehachse 4 zwischen den Laufradschalen 10, 12, wobei die jeweilige Laufradschale 10, 12 zusätzlich einen Hohlraum 31 aufweist, wobei sich der Hohlraum 31 jeweils in der der jeweiligen anderen Laufradschale 10, 12 zugewandten siebten und achten Stirnfläche 54, 56 der jeweiligen Laufradschale 10, 12 befindet. Dabei ist ein Federelement 35, insbesondere eine Tellerfeder 35, in diesem Hohlraum 31 angeordnet, wobei das Federelement 35 die Laufrad schalen 10, 12 mittels einer Federkraft axial voneinander weg und gegen den je weiligen Mitnehmerflansch 22, 24 drückt, insbesondere zumindest nahezu in Richtung der Drehachse 4. Des Weiteren kann die jeweilige Laufradschale 10, 12 mit dem jeweiligen Mitnehmerflansch 22, 24 stoffschlüssig verbunden sein, ins besondere mittels eines Klebeprozesses und/oder indem die Laufradschale 10,

12 mittels eines Gießprozesses bei der Herstellung direkt an den jeweiligen Mit nehmerflansch 22, 24 angegoßen wird. Dabei kann der jeweilige Mitnehmer flansch 22, 24 zumindest teilweise aus einem Metall und/oder zumindest teil weise aus einem Kunststoff bestehen. Auch ist es möglich das der jeweilige Mit nehmerflansch 22, 24 aus einem Verbund von verschiedenen Werkstoffen be steht, wobei Kunststoff und/oder Metall Werkstoffe dieses Verbundes sind.

Darüber hinaus ist in Fig. 1 gezeigt, dass das Gehäuse 3 zwei Gas- Einlassöff nungen 14a, b und zwei Gas-Auslassöffnungen 16a, b aufweisen kann. Dabei ist jeweils eine Gas-Einlassöffnungen 14a und eine Gas-Auslassöffnungen 16a im Gehäuse-Oberteil 7 ausgebildet und/oder es ist jeweils eine weitere Gas- Einlass öffnungen 14b und eine weitere Gas-Auslassöffnungen 16b im Gehäuse-Unter teil 8 ausgebildet. Dabei ist die eine Gas- Einlassöffnungen 14a und die eine Gas- Auslassöffnungen 16a fluidisch mit einem ersten Verdichterraum 30a und dem ersten Seitenkanal 19 verbunden. Die weitere Gas- Einlassöffnung 14b und die weitere Gas-Auslassöffnung 16b ist dabei fluidisch mit einem zweiten Verdichter raum 30b und dem zweiten Seitenkanal 21 verbunden.

Aufgrund der Ausführung der Bauteile Gehäuse-Oberteil 7 und/oder Gehäuse- Unterteil 8 und/oder die Mitnehmerflansche 22, 24 und/oder die Antriebswelle 9 aus einem, insbesondere metallischen, Werkstoff mit einem zumindest annä hernd gleichen Wärmeausdehungskoeffizienten werden sich diese Bauteile in Richtung der Drehachse 4 bei einer Erhöhung der Temperatur zumindest nahezu gleich stark ausdehnen und bei einer Verringerung der Temperatur zumindest nahezu gleich stark zusammenziehen. Da das Verdichterrad 2 und insbesondere die Laufradschalen 10, 12 zumindest teilweise aus einem Kunststoff hergestellt sind weisen diese einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Somit ändert sich die Breite der Laufradschalen 10, 12 unterschiedlich bei einer Temperaturänderung im Vergleich zu den Bauteilen Gehäuse-Oberteil 7 und/o der das Gehäuse-Unterteil 8 und/oder die Mitnehmerflansche 22, 24 und/oder die Antriebswelle 9. Dies wiederum könnte zu einer derartigen Aufweitung des jewei ligen funktionsrelevanten Spaltmaßes 36, 38 führen, wodurch die Kapselung und somit fluidische und/oder pneumatische Trennung der Seitenkanäle 19, 21 vonei nander nicht mehr gewährleistet wäre. Zum anderen könnte bei einer Verringe rung des Spaltmaßes 36, 38 aufgrund von Temperaturänderungen und unter schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bauteile des Seitenkanalver dichters 1 das jeweilige funktionsrelevante Spaltmaß 36, 38 derart klein werden, dass das Verdichterrad 2 und das Gehäuse 3 miteinander in Kontakt kommen, die Bauteile dadurch beschädigt werden und/oder das Verdichterrad 2 im Ge häuse 3 blockiert und somit der Seitenkanalverdichter 1 nicht mehr funktionsfähig wäre. Aufgrund des Einsatzes des Federelements 35 zwischen den beiden Lauf radschalen 10, 12, können unterschiedliche Breitenänderung der Bauteile Lauf radschalen 10, 12 im Vergleich zu den Bauteilen Gehäuse-Oberteil 7 und/oder Gehäuse-Unterteil 8 und/oder die Mitnehmerflansche 22, 24 und/oder die An triebswelle 9 derart kompensiert werden, dass sich das Federelement 35 zumin dest nahezu in Richtung der Drehachse 4 zusammengepresst wird oder sich auseinanderdrückt. Auf diese Weise kann eine Breite 45 des Luftspalts 52 zwi schen den Laufradschalen 10, 12 variiert werden und die Breite des Verdichter- rads 2 passt sich beim Durchlaufen unterschiedlicher Temperaturbereich derart an, dass die funktionsrelevanten Spaltmaße 36, 38 gleichbleibend sind und somit unabhängig von der Temperatur und den unterschiedlichen Wärmeausdeh- nungskoeffzienten der Bauteile des Seitenkanalverdichters 1.

In Fig. 1 ist darüber hinaus gezeigt, dass der Antrieb 6 einen axial zur Drehachse 4 verlaufenden Rotor 17 aufweist, wobei der Rotor 17 kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Antriebswelle 9 verbunden ist, insbesondere mittels eines Pressverbands. Eine Kapselung des Rotors 17 gegen Umwelteinflüsse und/oder gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung von außen wird durch den Einsatz eines Rotorgehäuses 41 erzielt. Zudem weist der Antrieb 6 einen um die Drehachse 4 umlaufenden Stator 11 auf, wobei sich der Stator 11 außerhalb umlaufend um den Rotor 17 befindet und/oder sich der Rotor 17 innerhalb des Innendurchmes sers des Stators 11 befindet. Durch eine Bestromung des Stators 11 kann der Rotor 17 angetrieben werden und insbesondere in eine Rotationsbewegung ver setzt werden. Eine Kapselung des Stators 11 gegen Umwelteinflüsse und/oder gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung von außen wird durch den Einsatz eines Statorgehäuses 39 erzielt. Das Rotorgehäuse 41 und/oder das Statorgehäuse 39 können dabei am Gehäuse 3 des Seitenkanalverdichters 1 fixiert sein, insbeson dere an das Gehäuse 3 angeschraubt sein.

Fig. 2 zeigt eine in Fig. 1 mit C-C bezeichnete Seitenansicht der Laufradschale 10. Dabei weist die Laufradschale 10 den inneren Begrenzungsring 26 auf, der ringförmig um die Drehachse 4 verläuft. Des Weiteren weist die Laufradschale 10 den äußeren Begrenzungsring 28 auf, der ringförmig um die Drehachse 4 ver läuft und gegenüber dem inneren Begrenzungsring 26 einen größeren Durch messer aufweist. Weiterhin weist die Laufradschale 10 mehrere um die Dreh achse 4 umlaufende Förderzellen 5 auf, wobei die Förderzellen 5 von zwei Schaufelblättern 55 begrenzt wird. Die Förderzellen 5 weisen dabei auf der dem jeweiligen Seitenkanal 19, 21 zugewandten Seite eine Aussparung 53 auf. Zu dem ist gezeigt, dass die Laufradschale 10 im Bereich des inneren Begrenzungs rings 26 mindestens zwei Fixierbohrungen 20 aufweist, in die der Fixierzapfen 18 (gezeigt in Fig. 1) zumindest nahezu parallel zur Drehachse 4 hineinragt. Die zweite Laufradschale 12 weist die gleichen Elemente auf und ist vom Aufbau zu mindest nahezu identisch, jedoch ist die zweite Laufradschale vom Aufbau und der Symmetrie an der Symmetrieachse 48 gespiegelt aufgebaut.

Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Seitenka nalverdichters 1 und des erfindungsgemäßen Verdichterrads 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Verdich terrad 2 nur die erste Laufradschale 10 auf, die mittels des ersten Mitnehmerflan sches 22 mit der Antriebswelle 9 verbunden ist. Dabei weist der Seitenkanalver dichter 1 das Gehäuse-Oberteil 7 und das Gehäuse-Unterteil 8 auf, wobei das Gehäuse-Oberteil 7 die Gas-Einlassöffnung 14a, die Gas-Auslassöffnung 16a und den ersten Seitenkanal 19 aufweist. Weiterhin weist das die Laufradschale 10 auf der dem ersten Seitenkanal 19 abgewandten Seite eine erste Seitenwand 13 aufweist. Der erste Verdichterraum 30a wird dabei mittels der ersten Seiten wand 13 und des ersten funktionsrelevanten Spaltmaßes 36 gekapselt.