Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung mit einem
ersten Ring und einem diesen gegenüberliegenden Gleitkopf, der
gegebenenfalls die Form eines zweiten Rings aufweisen kann, wobei im
Betrieb eine relative Drehbewegung zwischen dem ersten Ring und
dem Gleitkopf stattfindet und eine Vorspanneinrichtung vorgesehen
ist, die den ersten Ring in Richtung auf den Gleitkopf zu vorspannt.
Ferner betrifft die Erfindung eine Kombination einer Gleitringdichtung
mit einer Pumpe, insbesondere einer Rezirkulationspumpe eines Brennstoffzellensystems,
sowie ein Verfahren, um zu verhindern, dass beim Betrieb einer Pumpe
für ein
gasförmiges
Medium, die einen in einem Motorraum angeordneten Motor und ein
in einem Förderraum
angeordnetes Förderglied
aufweist, dieses gasförmige Medium
durch einen Motorwellendurchgang in den Motorraum entweicht.The
The present invention relates to a mechanical seal with a
first ring and an opposite sliding head, the
optionally may have the form of a second ring, wherein in
Operating a relative rotational movement between the first ring and
the slider takes place and provided a biasing device
is, which biases the first ring in the direction of the sliding head.
Furthermore, the invention relates to a combination of a mechanical seal
with a pump, in particular a recirculation pump of a fuel cell system,
as well as a method to prevent when operating a pump
for a
gaseous
Medium, which is arranged in an engine compartment engine and a
in a pump room
arranged conveying member
has, this gaseous medium
escapes through a motor shaft passage in the engine compartment.
Die
Erfindung findet insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Verwendung
im Zusammenhang mit einer Rezirkulationspumpe eines Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung könnte
aber auch bei anderen Systemen Anwendung finden, wo eine Pumpe zur
Förderung
eines gasförmigen
Mediums verwendet wird (wobei die Bezeichnung gasförmige Medien
auch dampfförmige
Medien umfasst), die von einem Motor bzw. von einer Motorwelle getrieben wird,
wobei das Medium von der Pumpe durch den Wellendurchgang zum Motor
nicht entweichen darf, der Motor jedoch in der normalen Außenumgebung aufgestellt
und betrieben werden soll, wobei der Zutritt von Luft in das geförderte Medium
nicht als schädlich
empfunden wird.The
The invention finds particular, but not exclusive, use
in connection with a recirculation pump of a fuel cell system.
The invention could
but also in other systems find application where a pump for
advancement
a gaseous one
Medium is used (the term gaseous media
also vaporous
Media) driven by a motor or a motor shaft,
the medium from the pump through the shaft passage to the engine
may not escape, but the engine is set up in the normal outdoor environment
and operated, wherein the admission of air into the conveyed medium
not as harmful
is felt.
Solche
Pumpen können
zum Beispiel auch bei chemischen Anlagen Verwendung finden. Die
bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Gleitringdichtung liegt
jedoch in der Kombination mit einer Brennstoffzellenrezirkulationspumpe
eines Brennstoffzellensystems.Such
Pumps can
for example, also be used in chemical plants. The
preferred use of the mechanical seal according to the invention
however, in combination with a fuel cell recirculation pump
a fuel cell system.
Eine
solche Rezirkulationspumpe wird zum Beispiel im Anodenkreis eines
Brennstoffzellensystems verwendet. Brennstoffzellen, insbesondere
so genannte PEM-Brennstoffzellen, sind aus vielen Schriften bestens
bekannt.A
Such recirculation pump is, for example, in the anode circuit of a
Fuel cell system used. Fuel cells, in particular
so-called PEM fuel cells, are from many writings best
known.
Im
Betrieb liefert der den Brennstoffzellen anodenseitig zugeführte Wasserstoff
Protonen, die durch die Membrane der Brennstoffzellen zu den Anoden
der Brennstoffzellen hindurch wandern und dort mit Sauerstoff reagieren,
um einerseits Wasser zu produzieren und andererseits Strom zu erzeugen, der
von entsprechenden Klemmen am Brennstoffzellenstapel abgenommen
werden kann. Ein Teil des auf der Kathodenseite erzeugten Wassers
strömt
durch die Membrane der Brennstoffzellen zu der Anodenseite, so dass
Wasserdampf auch auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
vorliegt. Außerdem wird
Wasserdampf der Anodenseite häufig
zugeführt, da
die Membrane nur dann einwandfrei und effizient funktionieren, wenn
sie ausreichend befeuchtet sind. Ferner bewegt sich Stickstoff von
der Kathodenseite durch die Membrane zu der Anodenseite der Brennstoffzellen
und die Konzentration von Stickstoff erhöht sich ständig auf der Anodenseite. Da
dieser Stickstoff den Wirkungsgrad der Brennstoffzellen beeinträchtigt,
ist es erforderlich, einen Teil der anodenseitig fließenden Gase
entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich abzulassen, um die
Stickstoffkonzentration zu begrenzen bzw. von Zeit zu Zeit herabzusetzen,
so dass das System insgesamt effizient arbeitet.in the
Operation provides the fuel cell on the anode side supplied hydrogen
Protons pass through the membrane of the fuel cells to the anodes
migrate through the fuel cell and react with oxygen there,
on the one hand to produce water and on the other hand to generate electricity, the
removed from appropriate terminals on the fuel cell stack
can be. Part of the water generated on the cathode side
flows
through the membrane of the fuel cells to the anode side, so that
Water vapor also on the anode side of the fuel cell stack
is present. In addition, will
Water vapor of the anode side frequently
fed, there
the membrane will only work properly and efficiently if
they are sufficiently moistened. Furthermore, nitrogen moves from
the cathode side through the membrane to the anode side of the fuel cell
and the concentration of nitrogen is constantly increasing on the anode side. There
this nitrogen affects the efficiency of the fuel cells,
It is necessary, a part of the anode side flowing gases
either continuously or discontinuously drain to the
Limit or reduce nitrogen concentration from time to time,
so the system works efficiently overall.
Beim
Ablassen eines Teils der anodenseitig fließenden Gase ist eine Verschmutzung
der Umwelt nicht zu befürchten,
da etwaiger Brennstoff bzw. Wasserstoff, der aus dem Anodenkreis
abgelassen wird, mittels eines geeigneten Katalysators dazu gebracht
wird, mit Luft katalytisch zu Wasser zu reagieren. Das so erzeugte
Wasser bzw. der so erzeugte Wasserdampf sowie der Stickstoffanteil
bilden natürliche
Bestandteile der Atmosphäre
und stellen daher keine Verunreinigung der Atmosphäre dar.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die aus der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
austretenden Gase, die noch verwertbaren Wasserstoff enthalten,
mittels einer Rezirkulationspumpe, die für notwendige Druckerhöhung sorgt,
dem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels zusammen mit frischem
Wasserstoff wieder zuzuführen.At the
Discharging a portion of the anode-side flowing gases is a pollution
not to fear the environment
because any fuel or hydrogen from the anode circuit
is discharged, brought to it by means of a suitable catalyst
is to react with air catalytically to water. The so produced
Water or the water vapor thus produced and the nitrogen content
make up natural
Components of the atmosphere
and therefore do not pollute the atmosphere.
It has already been proposed that from the anode side of the fuel cell stack
escaping gases that still contain usable hydrogen,
by means of a recirculation pump, which ensures necessary pressure increase,
the anode inlet of the fuel cell stack together with fresh
To recycle hydrogen.
Es
hat sich bei den bisher eingesetzten Rezirkulationspumpen gezeigt,
dass die Lebensdauer dieser Pumpen begrenzt ist, und es ist in der
Praxis außerordentlich
schwierig, eine zuverlässige
Pumpe zu finden, die als Rezirkulationspumpe dienen kann.It
has been shown in the previously used recirculation pumps,
that the life of these pumps is limited, and it is in the
Practice extraordinarily
difficult, a reliable
To find pump that can serve as a recirculation pump.
Bisher
galt, dass die Pumpe gegenüber
der Außenumgebung
vollständig
abgedichtet sein muss, da sonst die Gefahr besteht, dass Wasserstoff
in die Umgebung entweicht, was bei höheren Konzentrationen aus Sicherheitsgründen bedenklich
wäre. Es
ist beim derzeitigen Stand der Technik nicht möglich, einen Motor außerhalb
des Anodenkreislaufs anzuordnen und über eine Welle ein Förderglied
im Wasserstoffkreislauf anzutreiben, da der Wellendurchgang nicht
ausreichend gegenüber
Wasserstoff abgedichtet werden kann. Aus diesem Grund wurde der
Motor zum Antreiben des Förderglieds
bisher gegenüber der
Außenumgebung,
nicht jedoch gegenüber
dem Anodenkreislauf hermetisch abgedichtet. Auf diese Weise ist
kein Wellendurchgang nach außen
erforderlich. Es liegt also die oben erwähnte nach außen abgedichtete
Pumpe vor. Das heißt,
dass das Innere des Motorgehäuses
und des Pumpengehäuses
vollständig
hermetisch gegenüber
der Außenumgebung abgedichtet
ist.Previously, the pump had to be completely sealed against the outside environment, since otherwise there is a risk that hydrogen escapes into the environment, which would be questionable at higher concentrations for safety reasons. It is not possible in the current state of the art to arrange a motor outside the anode circuit and to drive a conveyor member in the hydrogen cycle via a shaft, since the shaft passage can not be sufficiently sealed against hydrogen. For this reason, the motor for driving the conveyor member has hitherto been hermetically sealed from the outside environment but not from the anode circuit. In this way, no shaft passage to the outside is required. So there is the above-mentioned sealed to the outside pump. This means that the inside of the motor housing and the pump housing are completely hermetic to the outside environment is sealed.
Bisherige
Konstruktionen zielten darauf hin, den Motorraum weitestgehend vom
Förderraum
abzutrennen bzw. abzudichten. Es hat sich aber gezeigt, dass bei
sich ändernden
Drücken
im Anodenkreislauf, die mit unterschiedlichen Betriebslasten einhergehen,
ein Druckausgleich zwischen dem Förderraum und dem Motorraum
erfolgt, und zwar derart, dass ein Volumenstrom des sich im Anodenkreislauf
befindlichen Gases durch das Lager hindurch stattfindet. Der warme,
feuchte Volumenstrom führt relativ
schnell dazu, dass Schmiermittel aus dem Lager ausgewaschen wird
und dass das Lager versagt.Previous
Constructions aimed to make the engine compartment largely of the
delivery chamber
separate or seal. It has been shown that at
changing
To press
in the anode cycle, which are associated with different operating loads,
a pressure equalization between the pump room and the engine compartment
takes place, in such a way that a volume flow of the in the anode circuit
located gas through the camp takes place. The warm,
moist volume flow leads relatively
quickly causing lubricant to wash out of the bearing
and that the camp fails.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringdichtung
bzw. eine Kombination einer Gleitringdichtung mit einer Pumpe und
ein Verfahren vorzusehen, die bzw. das es ermöglicht, eine von einem Motor
angetriebene Pumpe so zu betreiben, dass der Motor gegenüber der
Außenumgebung
nicht abgedichtet sein muss, ohne die Gefahr, dass das von der Pumpe
geförderte
gasförmige
Medium durch den Motorwellendurchgang zum Motor entweicht.Of the
present invention is based on the object, a mechanical seal
or a combination of a mechanical seal with a pump and
to provide a method that allows one of a motor
driven pump to operate so that the engine opposite the
external environment
does not have to be sealed, without the risk of that from the pump
funded
gaseous
Fluid escapes through the motor shaft passage to the engine.
Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Gleitringdichtung der eingangs genannten
Art so weitergebildet, dass mindestens der Teil, der in Betrieb drehbar
ist, eine als Pumpe wirkende Oberflächengestaltung aufweist, die
ein gasförmiges
Medium veranlasst, zwischen dem ersten Ring und dem Gleitkopf mit
einer radialen Komponente zu strömen,
wodurch sich ein Arbeitsdruck zwischen dem ersten Ring und dem Gleitkopf
einstellt, der entgegen der Kraft der Vorspanneinrichtung einen
Arbeitsspalt zwischen diesen Teilen aufrecht erhält.to
solution
This object is a mechanical seal of the aforementioned
Type so refined that at least the part that rotates in operation
is having a acting as a pump surface design, the
a gaseous
Medium causes, between the first ring and the sliding head with
to flow a radial component,
causing a working pressure between the first ring and the sliding head
adjusts the against the force of the biasing means a
Maintains working gap between these parts.
Ferner
wird eine Kombination einer derartigen Gleitringdichtung mit einer
Pumpe vorgesehen, die einen in einem Motorraum angeordneten Elektromotor
und ein in einem Vorderraum angeordnetes Förderglied aufweist, das von
einer drehbar gelagerten Motorwelle des Motors antreibbar ist, wobei
zwischen dem Motorraum und dem Förderraum
mindestens eine sich radial erstreckende Wand vorgesehen ist, durch
welche die Motorwelle sich erstreckt, wobei die Gleitringdichtung
im Bereich der sich radial erstreckenden Wand angeordnet ist.Further
is a combination of such a mechanical seal with a
Pump provided, which is arranged in an engine compartment electric motor
and a conveyor disposed in a front space conveying member, which of
a rotatably mounted motor shaft of the motor is driven, wherein
between the engine compartment and the delivery chamber
at least one radially extending wall is provided by
which extends the motor shaft, wherein the mechanical seal
is arranged in the region of the radially extending wall.
Außerdem wird
ein Verfahren vorgeschlagen, das verhindert, dass beim Betrieb einer
Pumpe für
ein gasförmiges
Medium, die einen in einem Motorraum angeordneten Motor und einen
in einem Förderraum
angeordneten Förderorgan
aufweist, gasförmiges
Medium durch einen Motorwellendurchgang in den Motorraum entweicht,
mit dem besonderen Kennzeichen, dass im Bereich des Motorwellendurchgangs
ein Luftstrom bzw. ein Gasstrom erzeugt wird, der den Eintritt des
gasförmigen
Mediums in den Motorraum hinein weitestgehend verhindert.In addition, will
proposed a method that prevents the operation of a
Pump for
a gaseous
Medium, which is arranged in an engine compartment engine and a
in a pump room
arranged conveying member
has, gaseous
Escapes medium through a motor shaft passage in the engine compartment,
with the special feature that in the area of the motor shaft passage
an air flow or a gas flow is generated, the entry of the
gaseous
Medium into the engine compartment into largely prevented.
Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird stets
dafür gesorgt,
dass im Betrieb Luft oder ein anderes gasförmiges Medium durch die Gleitringdichtung
strömt
in einer Richtung, dass das Entweichen des von der Pumpe geförderten
gasförmigen
Mediums durch den Wellendurchgang verhindert wird. Zur gleichen
Zeit wird zwischen dem ersten Ring und dem Gleitkopf bzw. dem zweiten
Ring ein Druck aufgebaut, der entgegen der Kraft der Vorspanneinrichtung
wirkt und zu einem kleinen Abstand zwischen den beiden Ringen führt. Es
entsteht also an den Ringen im Betrieb keine Abnützung, da diese einen Abstand
voneinander aufweisen.By
the solution according to the invention is always
ensured,
that in operation air or another gaseous medium through the mechanical seal
flows
in a direction that escapes the pumped by the pump
gaseous
Medium is prevented by the shaft passage. At the same
Time is between the first ring and the slider or the second
Ring built up a pressure, which is contrary to the force of the pretensioner
acts and leads to a small distance between the two rings. It
So there is no wear on the rings during operation as they are at a distance
have from each other.
Besonders
günstig
ist es, wenn jeweilige einander gegenüber liegende ununterbrochene
Ringflächen
auf dem ersten Ring und dem Gleitkopf vorgesehen sind, die beim
Stillstand aneinander anliegen und eine statische Dichtung bilden.Especially
Cheap
is it when respective ones are opposite one another
ring surfaces
are provided on the first ring and the sliding head, the at
Stand still together and form a static seal.
Mit
dieser Konstruktion werden die ununterbrochenen Ringflächen unter
der Kraft der Vorspanneinrichtung im Stillstand aneinander gedrückt und
bilden so eine statische Dichtung, die das Entweichen des in der
Pumpe und in an dieser angeschlossenen Leitungen vorhandenen gasförmigen Mediums
verhindert.With
This construction will accommodate the uninterrupted ring surfaces
the force of the biasing device pressed together at a standstill and
thus form a static seal, which is the escape of the in the
Pump and in existing at this connected lines gaseous medium
prevented.
Besonders
günstig
ist es, wenn mindestens eine der jeweiligen einander gegenüberliegenden
ununterbrochenen Ringflächen
mit einer Gleitbeschichtung vorgesehen ist. Auf diese Weise ist
beim Anlassen des Motors und Inbetriebnahme der Pumpe bei geringen
Drehzahlen und entsprechend kleinen Luftzufuhrmengen kein Abrieb
zu befürchten.
Dies sichert den Anlauf und Ablauf der Pumpe und daher auch die
Dauerhaltbarkeit. Die Anzahl der Starts und Stopps kann protokolliert
werden und einen Verschleiß kann
man somit kontrollieren bzw. überprüfen und
gegebenenfalls eingreifen, um eine Wartung bzw. Überprüfung durchzuführen. Auf
diese Weise können
auch Erfahrungswerte für
Verschleiß ermittelt werden,
um Wartungsintervalle festzulegen.Especially
Cheap
is it if at least one of the respective opposite ones
continuous ring surfaces
provided with a lubricious coating. That way is
when starting the engine and starting the pump at low
Speeds and correspondingly small amounts of air supply no abrasion
to fear.
This ensures the start and run of the pump and therefore also the
Durability. The number of starts and stops can be logged
can and wear out
one thus control or check and
if necessary intervene to carry out a maintenance or inspection. On
this way you can
also empirical values for
Wear can be determined
to set maintenance intervals.
Besonders
günstig
ist es, wenn die Gleitbeschichtung einen niedrigen Reibungskoeffizienten kleiner
als 0,1 aufweist. Die Gleitbeschichtung kann beispielsweise aus
der Gruppe bestehend aus einer Kunststoffschicht, einer PDFE-Beschichtung,
einer mittels CVD erzeugten Beschichtung und einer mittels PVD erzeugten
Beschichtung bestehen.Especially
Cheap
it is when the lubricious coating has a low coefficient of friction smaller
as 0.1. The sliding coating can for example
the group consisting of a plastic layer, a PDFE coating,
a CVD generated coating and a PVD generated
Coating exist.
Da
die Pumpe bzw. die Rezirkulationspumpe üblicherweise in der normalen
Außenumgebung,
d.h. in Luft arbeitet, ist das gasförmige Medium, das zwischen
dem ersten Ring und dem Gleitkopf strömt, üblicherweise Luft.Since the pump or the recirculation pump usually in the normal external environment, ie working in air, the gaseous medium flowing between the first ring and the sliding head, üb sometimes air.
Auf
jeden Fall ist das gasförmige
Medium die Umgebungsluft der Pumpe mitsamt deren Bestandteilen.On
in any case, the gaseous
Medium the ambient air of the pump together with its components.
Die
Strömung
des gasförmigen
Mediums zwischen dem ersten Ring und dem Gleitkopf kann radial nach
außen
erfolgen, was den Vorteil bietet, dass die Zentrifugalkraft bei
der Erzeugung der Strömung
mitwirkt.The
flow
of the gaseous
Mediums between the first ring and the sliding head can be radially to
Outside
take place, which offers the advantage that the centrifugal force at
the generation of the flow
participates.
Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
dass die Strömung
des gasförmigen
Mediums zwischen dem ersten Ring und dem Gleitkopf radial nach innen erfolgt.
Diese Anordnung bietet Konstruktionsvorteile an, da sie die Auslegung
der Gleitringdichtung vereinfacht.It
but it is also possible
that the flow
of the gaseous
Medium between the first ring and the sliding head takes place radially inward.
This arrangement offers design advantages as it accommodates the design
the mechanical seal simplified.
Der
erste Ring wird üblicherweise
fest an eine drehbare Welle angebracht, während der Gleitkopf bzw. der
zweite Ring an eine feststehende Struktur angebracht wird. Der erste
Ring wäre
somit der Gleitring, fest auf der Welle montiert und der zweite
Ring der Gleitkopf, fest im Gehäuse
verankert.Of the
first ring is usually
firmly attached to a rotatable shaft, while the sliding head or the
second ring is attached to a fixed structure. The first
Ring would be
thus the sliding ring, firmly mounted on the shaft and the second
Ring of the sliding head, firmly in the housing
anchored.
Die
Vorspanneinrichtung kann auf den ersten Ring oder auf den Gleitkopf
einwirken.The
Biasing means may be on the first ring or on the slider head
act.
Besonders
günstig
ist es, wenn zur Ausbildung des Gleitkopfs der zweite Ring in einem
Aufnahmering aufgenommen ist, wenn die Vorspanneinrichtung zwischen
dem Aufnahmering und dem zweiten Ring vorgesehen ist und wenn eine
Verriegelung zwischen dem Aufnahmering und dem zweiten Ring vorgesehen
ist, die eine relative Drehbewegung zwischen diesen Teilen zumindest
im Wesentlichen verhindert, eine axiale Relativbewegung unter der
Einwirkung der Vorspanneinrichtung bzw. des Arbeitsdruckes jedoch
zumindest im beschränkten
Ausmaß zulässt.Especially
Cheap
it is when to form the sliding head of the second ring in one
Pick-up ring is included when the pretensioner between
the receiving ring and the second ring is provided and if a
Lock provided between the receiving ring and the second ring
That is, a relative rotational movement between these parts at least
essentially prevents axial relative movement under the
However, the action of the biasing device or the working pressure
at least in the limited
Extent allows.
Die
relative Drehbewegung zwischen dem zweiten Ring und dem Aufnahmering
wird vorzugsweise dadurch verhindert, dass eine dünnwandige Außenwand
des Aufnahmerings an einer Stelle oder an mehreren Stellen in eine
jeweilige Nut des zweiten Rings eingedellt ist. Eine Ringdichtung
ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Ring und dem Aufnahmering
angeordnet. Die Vorspanneinrichtung ist vorzugsweise entweder durch
eine Schraubendruckfeder, eine Tellerfeder oder mehrere Tellerfedern
gebildet, die auf den zweiten Ring einwirkt bzw. einwirken. Alternativ
hierzu kann die Vorspanneinrichtung durch mehrere an jeweiligen
Stellen um den zweiten Ring herum angeordnete Schraubendruckfedern
gebildet werden, wobei die einzelnen Schraubenfedern in achsparallelen
Bohrungen des Aufnahmerings aufgenommen sind.The
relative rotational movement between the second ring and the receiving ring
is preferably prevented by having a thin-walled outer wall
the recording ring in one place or in several places in one
respective groove of the second ring is dented. A ring seal
is preferably between the second ring and the receiving ring
arranged. The biasing device is preferably either by
a helical compression spring, a plate spring or several disc springs
formed, which acts on the second ring or act. alternative
For this purpose, the biasing device by several at each
Make helical compression springs around the second ring
are formed, wherein the individual coil springs in paraxial
Holes of the receiving ring are added.
Auf
diese Weise entsteht, egal ob die Vorspanneinrichtung durch eine
Schraubendruckfeder, eine Tellerfeder, mehrere Tellerfedern oder
durch einzelne Schraubendruckfedern gebildet ist, ein Modul bestehend
aus dem Aufnahmering, der Vorspanneinrichtung und dem zweiten Ring,
sowie der Ringdichtung, die preisgünstig hergestellt und leicht
in einem Gehäuse
oder in einem Lagerschild aufgenommen werden kann, beispielsweise
unter Anwendung eines Presssitzes, wobei eine Ringdichtung im Bereich
des Presssitzes für
eine gasdichte Aufnahme des Aufnahmerings bzw. des Moduls im Gehäuse bzw.
im Lagerschild sorgt. Alternativ hierzu kann der Aufnahmering durch
formschlüssige
Merkmale mit der Motorwelle drehfest verbunden werden. Hierzu können beispielsweise
eine Madenschraube oder mehrere Madenschrauben verwendet werden,
die in den Aufnahmering eingeschraubt werden und an die Motorwelle
angreifen.On
this way arises, regardless of whether the biasing means by a
Helical compression spring, a plate spring, several disc springs or
formed by individual helical compression springs, consisting of a module
from the receiving ring, the pretensioner and the second ring,
as well as the ring seal, the reasonably priced and lightweight
in a housing
or can be accommodated in a bearing plate, for example
using a press fit, with a ring seal in the area
of press fit for
a gas-tight recording of the receiving ring or the module in the housing or
ensures in the bearing plate. Alternatively, the receiving ring by
positive
Features are rotatably connected to the motor shaft. For example, this can be done
a grub screw or several grub screws are used,
which are screwed into the receiving ring and to the motor shaft
attack.
Wenn
der Aufnahmering an der Motorwelle befestigt ist, so wird der erste
Ring in einer Ringaufnahme eines Gehäuses oder Lagerschilds angeordnet,
wobei eine Ringdichtung zwischen dem ersten Ring und dem Gehäuse bzw.
dem Lagerschild vorzugsweise vorgesehen ist. Ein Verriegelungsglied befindet
sich ebenfalls vorzugsweise zwischen dem ersten Ring und dem Gehäuse bzw.
dem Lagerschild und verhindert eine relative Verdrehung des ersten Ringes
und des Gehäuses
bzw. des Lagerschildes.If
the receiving ring is attached to the motor shaft, so is the first
Ring arranged in a ring receptacle of a housing or bearing plate,
wherein a ring seal between the first ring and the housing or
the bearing plate is preferably provided. A locking member is located
also preferably between the first ring and the housing or
the bearing plate and prevents relative rotation of the first ring
and the housing
or the end shield.
Besonders
bevorzugte Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Gleitringdichtung,
der Kombination einer Gleitringdichtung mit einer Pumpe und des
erfindungsgemäßen Verfahrens
lassen sich den Unteransprüchen
entnehmen.Especially
preferred embodiments of
mechanical seal according to the invention,
the combination of a mechanical seal with a pump and the
inventive method
can be the dependent claims
remove.
Die
Oberflächengestaltung
des drehbaren Ringes, die ein gasförmiges Medium veranlasst, zwischen
dem ersten und dem zweiten Ring mit einer radialen Komponente zu
strömen,
kann verschiedene Formen aufweisen. Beispielsweise kann die Oberflächengestaltung
durch mehrere Nuten im drehbaren Teil gebildet werden, wobei die
Nuten beispielsweise sichelförmig
gekrümmt
sein können.The
surface design
of the rotatable ring, which causes a gaseous medium between
the first and the second ring with a radial component
stream,
can have different shapes. For example, the surface design
formed by a plurality of grooves in the rotatable part, wherein the
Grooves, for example sickle-shaped
bent
could be.
Eine
andere Möglichkeit
liegt darin, die Nuten durch gekrümmte, im Querschnitt V-förmige bzw. rechtwinklige
Einschnitte zu bilden, deren Einschnitttiefe in der Richtung radial
nach innen auf den drehbaren Teil bezogen abnimmt. Die Nuten bzw.
Einschnitte sollen vorzugsweise an ihren radial nach innen gelegten
Enden auslaufen und zwischen der Auslaufstelle und einer radial
inneren Wand des drehbaren Teils soll die ununterbrochene Ringfläche vorgesehen
werden.A
different possibility
lies in the grooves by curved, in cross-section V-shaped or rectangular
To form incisions whose incision depth in the radial direction
inwardly relative to the rotatable part decreases. The grooves or
Incisions should preferably be placed at their radially inward
Ends leak and between the outlet and a radial
inner wall of the rotatable part is intended to provide the uninterrupted annular surface
become.
Die
Pumpe kann beispielsweise als Impellerpumpe, Seitenkanalverdichter
oder Turboverdichter ausgebildet werden.The
Pump can, for example, as an impeller pump, side channel blower
or turbocompressors are formed.
Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden
Beschreibung näher
beschrieben.Further
preferred embodiments
The invention are in the further subclaims and in the following
Description closer
described.
Die
Erfindung wird nachfolgend näher
erläutert
aufgrund der beiliegenden Zeichnungen, in welchen zeigen:The
Invention will become more apparent below
explained
Based on the accompanying drawings, in which:
1 eine schematische Darstellung
eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationspumpe ähnlich der
Anordnung, die in der deutschen Patentanmeldung 102 00 581.1 gezeigt
ist, 1 1 is a schematic representation of a fuel cell system with a recirculation pump similar to the arrangement shown in German patent application 102 00 581.1.
2 einen schematischen Längsschnitt durch
eine Pumpe, die in ihrer Grundauslegung an sich bekannt ist, 2 a schematic longitudinal section through a pump, which is known per se in its basic design,
3 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung,
um das Arbeitsprinzip zu erläutern, 3 a schematic representation of a mechanical seal according to the invention to explain the working principle,
4 eine Draufsicht auf die
Stirnseite des einen Ringes der Ausführung gemäß 3, um die Ausbildung der dort vorgesehenen
Nuten darzustellen, 4 a plan view of the front side of a ring of the embodiment according to 3 to represent the formation of the grooves provided there,
5 eine Darstellung einer
Variante einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung
in einem axialen Querschnitt gesehen, 5 an illustration of a variant of a mechanical seal according to the invention seen in an axial cross-section,
6 eine perspektivische Darstellung
einer Oberflächengestaltung
eines Teils eines drehbaren Ringes, der in der Ausführung der 5 verwendet wird, 6 a perspective view of a surface configuration of a part of a rotatable ring, which in the embodiment of 5 is used,
7 eine Darstellung einer
erfindungsgemäßen Abwandlung
der Pumpe gemäß 2, 7 an illustration of a modification of the invention according to the pump 2 .
8 eine Darstellung einer
weiteren erfindungsgemäßen Abwandlung
der Pumpe gemäß 2 und 8th a representation of a further modification of the invention according to the pump 2 and
9 eine teilweise in Längsrichtung
geschnittene Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Gleitringdichtung. 9 a partially sectioned longitudinal view of another mechanical seal according to the invention.
Das
Bezugszeichen 12 deutet auf den Brennstoffzellenstapel,
der aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen besteht, die schematisch
mit 14 gekennzeichnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist
eine Anodenseite 16 mit Anodeneingang 18 und Anodenausgang 20 sowie
eine Kathodenseite 22 mit Kathodeneingang 24 und
Kathodenausgang 26 auf.The reference number 12 indicates the fuel cell stack, which consists of several individual fuel cells, which schematically with 14 Marked are. The fuel cell stack 12 has an anode side 16 with anode entrance 18 and anode output 20 and a cathode side 22 with cathode entrance 24 and cathode output 26 on.
In
an sich bekannter Weise weist jede einzelne Brennstoffzelle 14 eine
Anode, eine Kathode und dazwischen eine Membran (nicht gezeigt)
auf, wobei jede so genannte MEA (Membrane Electrode Assembly) bestehend
aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten
Membran, zwischen zwei so genannten bipolaren Platten gehalten ist
(ebenfalls nicht gezeigt). Zwischen der einen bipolaren Platte und
der Kathode sind Strömungskanäle für Sauerstoff
oder Luftsauerstoff vorgesehen, während zwischen der anderen
bipolaren Platte und der Anode ebenfalls Strömungskanäle vorgesehen sind, die für die Zufuhr
von Wasserstoff an die Anode sorgen.In a conventional manner, each individual fuel cell 14 an anode, a cathode, and therebetween a membrane (not shown), each so-called MEA (Membrane Electrode Assembly) consisting of an anode, a cathode, and a membrane disposed therebetween held between two so-called bipolar plates (also not shown) ). Between the one bipolar plate and the cathode flow channels for oxygen or atmospheric oxygen are provided, while between the other bipolar plate and the anode flow channels are provided, which provide for the supply of hydrogen to the anode.
Die
Strömungskanäle auf der
Anodenseite der Brennstoffzellen sind zusammengeschaltet, damit
alle Brennstoffzellen gleichzeitig mit Brennstoff über den
Anodeneingang 18 versorgt werden können, wobei überschüssiger Wasserstoff
sowie andere Abgase der Brennstoffzellen, wie beispiels weise Wasser
in Dampfform und Stickstoff, der von auf der Kathodenseite gelieferter
Luft stammt und durch die Membrane der Brennstoffzellen hindurch
diffundiert, aus dem Brennstoffzellenstapel am Anodenausgang 20 über die
Leitung 55 herausgeführt
werden können.
Die Durchströmung
der Anoden der zusammen geschalteten Brennstoffzellen ist schematisch
in der 1 mit der Linie 28 gezeigt.
In ähnlicher
Weise sind die Strömungspassagen
auf der Kathodenseite der Brennstoffzellen zusammen geschlossen,
um einen Strömungspfad 30 vom
Kathodeneingang 24 zum Kathodenausgang 26 im Brennstoffzellenstapel 12 zu
bilden, wobei die auf der Kathodenseite 22 anfallenden
Abgase über
die Leitung 25 in die Atmosphäre abgegeben werden können. Die
bipolaren Platten der einzelnen Brennstoffzellen 14 sind
in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet. Im Betrieb entsteht
eine Spannung an den zwei Ausgangsklemmen 32 und 34.
Diese Spannung steht nicht dargestellten Einrichtungen, z.B. für den Antrieb
eines Kraftfahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem eingebaut
ist sowie für
den Antrieb von anderen Aggregaten, die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems
notwendig sind, als Leistungsquelle zur Verfügung.The flow channels on the anode side of the fuel cells are interconnected so that all fuel cells simultaneously with fuel through the anode input 18 can be supplied with excess hydrogen and other exhaust gases of the fuel cell, such as example, water in vapor form and nitrogen, which comes from supplied on the cathode side air and diffuses through the membrane of the fuel cell, from the fuel cell stack at the anode output 20 over the line 55 can be led out. The flow through the anodes of the interconnected fuel cells is schematically in the 1 with the line 28 shown. Similarly, the flow passages on the cathode side of the fuel cells are closed together to form a flow path 30 from the cathode entrance 24 to the cathode output 26 in the fuel cell stack 12 to form, taking on the cathode side 22 accumulating exhaust gases via the line 25 can be discharged into the atmosphere. The bipolar plates of the individual fuel cells 14 are connected in series and / or parallel to each other. During operation, a voltage is generated at the two output terminals 32 and 34 , This voltage is not shown facilities, for example for the drive of a motor vehicle, in which the fuel cell system is installed as well as for the drive of other units, which are necessary for the operation of the fuel cell system, as a power source available.
Die
Auslegung von Brennstoffzellenstapeln bzw. der darin enthaltenen
Brennstoffzellen sind bestens aus verschiedenen Schriften bekannt,
so dass es nicht notwendig ist, hier näher auf die konkrete Auslegung
des Brennstoffzellenstapels einzugehen.The
Design of fuel cell stacks or the contained therein
Fuel cells are well known from various fonts,
so that it is not necessary here closer to the concrete interpretation
to enter the fuel cell stack.
Wesentlich
ist, dass der Anodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 12 ein
gasförmiger
Brennstoff zugeführt
werden muss, wobei im Falle der Verwendung von Wasserstoff der Wasserstoff
möglicherweise
von einer Quelle in Form eines Wasserstofftanks 36 entnommen
wird. Konkret kommt im dargestellten Beispiel der Wasserstoff vom
Wasserstofftank 36 über
ein mechanisches Druckregelventil 38 sowie über ein
Solenoid betätigtes Abschaltventil 40 und
ein manuell betätigbares
Absperrventil 42 zu einem Stellventil 44, das
den frischen Wasserstoff über
eine Leitung 46 dem Anodeneingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12 zuführt.It is essential that the anode side 16 of the fuel cell stack 12 a gaseous fuel must be supplied, wherein in the case of the use of hydrogen, the hydrogen may be from a source in the form of a hydrogen tank 36 is removed. Specifically, in the example shown, the hydrogen comes from the hydrogen tank 36 via a mechanical pressure control valve 38 and a solenoid-operated shut-off valve 40 and a manually operated shut-off valve 42 to a control valve 44 putting the fresh hydrogen through a pipe 46 the anode entrance 18 of the fuel cell stack 12 supplies.
Im
Betrieb wird das Stellventil 44 bei geöffneten Ventilen 40 und 42 je
nach der vom Fahrer des Kraftfahrzeugs geforderten Leistung über eine
Steuerung 48 angesteuert, um den erforderlichen Massenstrom
an frischem Wasserstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 einzuspeisen.In operation, the control valve 44 with open valves 40 and 42 depending on the required by the driver of the motor vehicle power via a controller 48 controlled to the required mass flow of fresh hydrogen into the anode side of the fuel cell stack 12 feed.
Gleichzeitig
mit der lastabhängigen
Ansteuerung des Stellventils 44 durch die Steuerung 48 wird über die
Steuerung 48 ein Elektromotor 50 angesteuert,
der einen Kompressor 52 antreibt und Luftsauerstoff über eine
Leitung 54 und den Kathodeneingang 24 in die Kathodenseite 22 des
Brennstoffzellenstapels 12 einspeist.Simultaneously with the load-dependent control of the control valve 44 through the controller 48 is about the controller 48 an electric motor 50 driven by a compressor 52 drives and atmospheric oxygen via a pipe 54 and the cathode entrance 24 in the cathode side 22 of the fuel cell stack 12 feeds.
Im
Brennstoffzellenstapel 12 wandern Protonen, die vom zugeführten Wasserstoff
geliefert werden, von der Anodenseite 16 der einzelnen
Brennstoffzellen durch die Membran zu der Kathodenseite 22 und
reagieren an dort vorgesehenen Katalysatoren mit dem zugeführten Luftsauerstoff,
um Wasser zu bilden. Diese Reaktion führt dazu, dass elektrische
Spannungen an den Bipolarplatten entstehen, die in summierter Form
für die
an den Klemmen 32 und 34 abnehmbare Leistung sorgen.In the fuel cell stack 12 Protons supplied by the supplied hydrogen migrate from the anode side 16 the individual fuel cells through the membrane to the cathode side 22 and react on provided there catalysts with the supplied oxygen in the air to form water. This reaction causes electrical voltages to be generated across the bipolar plates, which in summed form for those at the terminals 32 and 34 provide detachable power.
Während der
elektro-chemischen Reaktion in den einzelnen Brennstoffzellen diffundieren
Stickstoffmoleküle
von der Kathodenseite zur Anodenseite und verlassen die Anodenseite 16 über den
Anodenausgang 20 zusammen mit dem unverbrauchten Wasserstoff
und Wasserdampf. Eine Rückführleitung 58 ist
zwischen dem Anodenausgang 20 und dem Anodeneingang 18 vorgesehen,
und zwar mit einer Rezirkulationspumpe 60, die dafür sorgt,
dass die rückgeführten Gase
ein angepasstes Druckniveau am Anodeneingang 18 aufweisen,
um die Strömung aufrecht
zu erhalten. Bei Anwendung einer solchen Rückführung kann ein Anteil der Anodenabgase
entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich über das Anodenabgasventil 56 und
die Leitung 57 abgelassen werden.During the electrochemical reaction in the individual fuel cells, nitrogen molecules diffuse from the cathode side to the anode side and leave the anode side 16 via the anode output 20 together with the unused hydrogen and water vapor. A return line 58 is between the anode output 20 and the anode entrance 18 provided, with a recirculation pump 60 , which ensures that the recirculated gases have an adjusted pressure level at the anode inlet 18 have to maintain the flow. When using such recirculation, a portion of the anode effluents may be either continuous or discontinuous via the anode exhaust valve 56 and the line 57 be drained.
Diese
Anodenabgase werden dann normalerweise zur Wärmegewinnung über die
Leitung 57 einem katalytischen Brenner (nicht gezeigt)
zugeführt
und dort mit Luftsauerstoff zur Erzeugung von Wärme umgesetzt, wobei die nach
dem Brenner vorhandenen Abgase bestehend aus Stickstoff und Wasserdampf
bedenkenlos in die Atmosphäre
abgegeben werden können.
Wie erwähnt
kann das Anodenabgasventil 56 auch diskontinuierlich geöffnet werden,
um von Zeit zu Zeit Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abzulassen,
beispielsweise dann wenn die Stickstoffkonzentration auf der Anodenseite des
Brennstoffzellenstapels 12 auf ein Niveau angestiegen ist,
bei dem der effiziente Betrieb des Brennstoffzellenstapels leiden
würde.
Es ist auch bekannt, die Anodenabgase der Kathodenseite 22 des
Brennstoffzellenstapels 12 zuzuführen, damit der Wasserstoffanteil
auf der Kathodenseite direkt mit Sauerstoff zu Wasser reagiert und
auf diese Weise entsorgt wird, wobei die vorliegende Erfindung auch
mit einem solchen System anwendbar ist.These anode effluents are then normally for heat recovery via the line 57 fed to a catalytic burner (not shown) and reacted there with atmospheric oxygen to generate heat, wherein the present after the burner exhaust gases consisting of nitrogen and water vapor can be safely discharged into the atmosphere. As mentioned, the anode exhaust valve 56 also be opened discontinuously to exhaust from the fuel cell stack from time to time 12 let off, for example, if the nitrogen concentration on the anode side of the fuel cell stack 12 has risen to a level where the efficient operation of the fuel cell stack would suffer. It is also known, the anode exhaust gases of the cathode side 22 of the fuel cell stack 12 supply, so that the hydrogen content on the cathode side reacts directly with oxygen to water and is disposed of in this way, the present invention is also applicable with such a system.
In
der Figur sind der Wasserstofftank 36, das mechanische
Druckregelventil 38, das Solenoid betätigte Abschaltventil 40 sowie
das manuell betätigbare
Absperrventil 42 in einem Rahmen 62 gezeigt. Da
dieses Teil häufig
von spezialisierten Zulieferern geliefert wird, ist es an sich bekannt.In the figure are the hydrogen tank 36 , the mechanical pressure control valve 38 , the solenoid operated shut-off valve 40 and the manually operated shut-off valve 42 in a frame 62 shown. Since this part is often supplied by specialized suppliers, it is well known.
Das
mechanische Druckregelventil 38 sorgt dafür, das höhere Druckniveau
P3 im Wasserstofftank 36, das beispielsweise bei 350 Bar
liegen kann, auf ein niedrigeres Druckniveau P2, das beispielsweise
nur etwas über
1 Bar liegen kann, herunter zu regeln.The mechanical pressure control valve 38 ensures the higher pressure level P3 in the hydrogen tank 36 which, for example, may be at 350 bar, down to a lower pressure level P2, which may be, for example, just over 1 bar.
Nach
dem Vorschlag der deutschen Patentanmeldung DE 102 00 058.1 führt eine
Steuerleitung 70 von der Ausgangsseite des Stellventils 44 zum Referenzdruckeingang
des Druckregelventils 38, so dass, wenn der Druck an der
Brennstoffzellenseite des Stellventils 44 fällt, der
Referenzdruck am mechanischen Druckregelventil 38 ebenfalls
fällt.
Da die Kraft vom Referenzeingang in die gleiche Richtung wirkt wie
die Vorspannfeder 66 führt
dies dazu, dass der Ausgangsdruck P2 des mechanischen Druckregelventils 38 und
daher auch der Druck auf der Eingangsseite des Stellventils 44 ebenfalls
fällt,
wodurch die Druckdifferenz am Stellventil 44 zwischen dessen Eingangs-
und Ausgangsseite kleiner wird. Hierdurch wird der Druckdifferenzbereich,
der vom Stellventil 44 beherrscht werden muss, stets klein
gehalten, was die Anforderungen an das Stellventil 44 herabsetzt. Dies
bedeutet nicht, dass die Druckdifferenz selbst klein sein muss,
sondern dass die Schwankungen der Druckdifferenz stets klein gehalten
werden sollen.After the proposal of the German patent application DE 102 00 058.1 leads a control line 70 from the output side of the control valve 44 to the reference pressure input of the pressure control valve 38 , so if the pressure on the fuel cell side of the control valve 44 falls, the reference pressure at the mechanical pressure control valve 38 also falls. Because the force from the reference input acts in the same direction as the biasing spring 66 this causes the outlet pressure P2 of the mechanical pressure control valve 38 and therefore also the pressure on the input side of the control valve 44 also falls, causing the pressure difference at the control valve 44 becomes smaller between its input and output sides. As a result, the pressure difference range of the control valve 44 must be mastered, always kept small, what the demands on the control valve 44 decreases. This does not mean that the pressure difference itself must be small, but that the fluctuations in the pressure difference should always be kept small.
2 zeigt eine Impellerpumpe 60,
die beispielsweise in der Anordnung gemäß 1 Verwendung finden könnte. Die Impellerpumpe der 2 weist einen Motorraum 100 auf,
der einen nicht dargestellten Elektromotor enthält, der die Motor- bzw. Antriebswelle 102 antreibt.
Der Motorraum ist innerhalb eines Motorgehäuses 104 definiert,
das an seinem in 2 unteren
Ende durch ein Lagerschild 106 geschlossen ist. In der
Mitte des Lagerschildes 106 befindet sich ein Kugellager,
das zur drehbaren Lagerung der Motorwelle 102 ausgelegt
ist. Unterhalb dieses Kugellagers befindet sich eine Gleitringdichtung 110,
die eine Abdichtung zwischen dem Motorraum 100 und dem
Förderraum 112 der
Impellerpumpe 114 bilden soll. Auf der Motorwelle 102 sind im
Förderraum 112 zwei
von der Motorwelle 102 angetriebenen Impeller 114, 116 vorgesehen,
die Luft durch den Lufteinlass 118 ansaugen und mit erhöhtem Druck
durch den Auslass 120 herausdrücken. Der Förderraum 112 ist innerhalb
eines Pumpengehäuses 122 definiert,
der durch den tassenförmigen Deckel 124 gebildet
ist, der über
einen zylindrischen Vorsprung 126 des Lagerschildes 106 greift
und an diesem Lagerschild mittels Bolzen 128 befestigt
ist. Eine Ringdichtung 130 sorgt dafür, dass der Förderraum
gegenüber
der Außenumgebung
abgedichtet ist. 2 shows an impeller pump 60 , for example, in the arrangement according to 1 Could be used. The impeller pump the 2 has an engine compartment 100 on, which contains an electric motor, not shown, of the motor or drive shaft 102 drives. The engine compartment is inside a motor housing 104 defined at his in 2 lower end by a bearing plate 106 closed is. In the middle of the bearing plate 106 There is a ball bearing, which is used for rotatably supporting the motor shaft 102 is designed. Below this ball bearing is a mechanical seal 110 that creates a seal between the engine compartment 100 and the pump room 112 the impeller pump 114 should form. On the motor shaft 102 are in the pump room 112 two from the motor shaft 102 driven impeller 114 . 116 provided the air through the air intake 118 suck in and with increased pressure through the outlet 120 Press out. The pump room 112 is inside a pump housing 122 defined by the cup-shaped lid 124 is formed, which has a cylindrical projection 126 of the end shield 106 engages and on this bearing plate by means of bolts 128 is attached. A ring seal 130 ensures that the delivery chamber is sealed from the outside environment.
Im
Bereich des Einlasses 118 befindet sich ein weiteres Lager 132,
die das in 2 untere
Ende der Motorwelle 102 drehbar lagert. Das Lagergehäuse 134 ist über radiale
Stege 138 mit einem Ringteil 140 verbunden, das
in einer Ringaufnahme 142 des Pumpendeckels 124 aufgenommen
ist.In the area of the inlet 118 there is another camp 132 that the in 2 lower end of the motor shaft 102 rotatably supports. The bearing housing 134 is over radial webs 138 with a ring part 140 connected in a ring recording 142 the pump cover 124 is included.
Obwohl
in 2 nicht gezeigt,
könnte
das obere Ende der Motorwelle 102 ebenfalls in einem Lager
bzw. einem Lagerschild aufgenommen werden, das bzw. der vom Motorgehäuse 104 getragen wird.
Das unten angeordnete Lager 132 ist dem Anodenstrom ausgesetzt
und hat in dieser Bauform eine begrenzte Haltbarkeit. Anstatt das
Lager 132 aufwendiger zu gestalten, um die Haltbarkeit
zu erhöhen,
kann es durch quasi einen "Anschlag" ersetzt werden,
z.B. durch eine Ringaufnahme, die das Wellenzapfen mit Spiel aufnimmt
und beispielsweise als Gleitlagerbuchse ausgeführt ist. Auch die Ringaufnahme
wird von den radialen Stegen 138 getragen bzw. abgestützt. Wird
z.B. durch Stoß oder
Erschütterung
das Wellenende verbogen, so stützt
nach etwas Biegen der Anschlag das Wellenende und sorgt dafür, dass
keine plastische Verformung in die Welle kommt. Die Welle soll somit
prinzipiell mit zwei Lagern ausreichend ausgelegt sein und nur die
Stöße werden
durch diesen mechanischen Anschlag verhindern, dass eine Verbiegung
bleibt.Although in 2 not shown, could be the top end of the motor shaft 102 Also included in a bearing or a bearing plate, or the motor housing 104 will be carried. The lower bearing 132 is exposed to the anode current and has a limited durability in this design. Instead of the warehouse 132 To make more expensive to increase the durability, it can be replaced by quasi a "stop", for example, by a ring receiver, which receives the shaft journal with play and is designed for example as a plain bearing bushing. Also, the ring receiver is of the radial webs 138 worn or supported. If, for example, the shaft end is bent as a result of shock or vibration, the end of the shaft supports the shaft end after a little bending and ensures that no plastic deformation occurs in the shaft. The shaft should therefore be sufficiently designed in principle with two bearings and only the shocks are prevented by this mechanical stop that a bend remains.
Eine
Vorspanneinrichtung in Form einer Schraubendruckfeder 144 hält einen
ersten, mit der Motorwelle 102 drehbaren Ring 144 in
gleitender Berührung
mit einem in einer Aufnahme des Lagerschilds 106 aufgenommenen
Gleitkopf, hier in Form eines zweiten Ringes 146. Diese
Gleitringanordnung entspricht somit im Wesentlichen der Auslegung
einer Gleitringdichtung, wie sie in einem Pkw bei einer Wasserpumpe
vorgesehen ist. Bei einer Wasserpumpe liegt der Vorteil vor, dass
die Gleitflächen
der ersten und zweiten Ringe mit Wasser geschmiert und gekühlt sind,
so dass eine ausgeprägte
Abnützung nicht
stattfindet.A biasing device in the form of a helical compression spring 144 holds a first, with the motor shaft 102 rotatable ring 144 in sliding contact with one in a receptacle of the bearing plate 106 recorded sliding head, here in the form of a second ring 146 , This slide ring assembly thus essentially corresponds to the design of a mechanical seal, as provided in a passenger car in a water pump. In the case of a water pump, there is the advantage that the sliding surfaces of the first and second rings are lubricated and cooled with water, so that pronounced wear does not take place.
Bei
Anwendung einer Pumpe der Bauart gemäß 2 kann bei manchen Anwendungen für eine Schmierung
der Gleitflächen
der Ringe gesorgt werden.When using a pump of the type according to 2 Lubricate the sliding surfaces of the rings in some applications.
Würde man
eine Pumpe der bekannten Bauart in einem Brennstoffzellensystem
als Rezirkulationspumpe 60 verwenden, wobei der Einlass 118 an die
Leitung 58 und der Auslass 120 an die Leitung 146 anzuschließen wäre, wäre es aber
nicht möglich, für eine Schmierung
und über
das Schmiermittel für eine
Kühlung
der aneinander liegenden Flächen
der Gleitringdichtung zu sorgen. Würden aber diese Dichtflächen nicht
geschmiert und gekühlt,
hätten
sie eine sehr kurze Lebensdauer haben. Bei Anwendung eines Brennstoffzellensystems
ist eine Schmierung generell verboten, da sie das System kontaminiert. Für die Kühlung der
Gleitringdichtung gibt es auch kein praktisches Konzept. Ferner
treten bei dem Brennstoffzellensystem relativ hohe Drehzahlen auf, so
dass solche Gleitringdichtungen sich sofort abreiben, unerwünschte Abriebpartikel
erzeugen und schnell zerstört
sind. Auch eine kleine Beeinträchtigung
der Gleitflächen
wäre in
einem Brennstoffzellensystem unerträglich, da bei der herkömmlichen Gleitringdichtung
Wasserstoff aus dem Förderraum durch
den Wellendurchgang und durch das Lager in den Motorraum entweichen wird.
Ein solches Entweichen von Wasserstoff in den Motorraum wäre nur bei sehr
geringen Konzentrationen von Wasserstoff in Luft zulässig.Would you have a pump of the known type in a fuel cell system as a recirculation pump 60 use, with the inlet 118 to the line 58 and the outlet 120 to the line 146 but it would not be possible to provide for lubrication and the lubricant for a cooling of the abutting surfaces of the mechanical seal. But if these sealing surfaces were not lubricated and cooled, they would have a very short life. When using a fuel cell system, lubrication is generally prohibited as it contaminates the system. There is no practical concept for cooling the mechanical seal. Furthermore, relatively high rotational speeds occur in the fuel cell system, so that such mechanical seals rub off immediately, produce undesirable abrasion particles and are quickly destroyed. Even a small impairment of the sliding surfaces would be unbearable in a fuel cell system, since in the conventional mechanical seal hydrogen will escape from the pumping chamber through the shaft passage and through the bearing in the engine compartment. Such leakage of hydrogen into the engine compartment would be permissible only at very low concentrations of hydrogen in air.
Um
diese Problematik zu überwinden,
wird die an sich bekannte Gleitringdichtung mit einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung 110 ersetzt,
die so ausgelegt ist, dass eine einwandfreie Funktion als Dichtung
erzielt wird, ohne dass Abrieb an den Gleitflächen der Gleitringdichtung
entsteht.To overcome this problem, the known mechanical seal with a mechanical seal according to the invention 110 which is designed so that a perfect function as a seal is achieved without causing abrasion on the sliding surfaces of the mechanical seal.
Das
Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lösung für diese
Problematik ist in der 3 gezeigt. Hier
besteht die Gleitringdichtung 110 wie bisher aus einem
ersten Ring 144, der an der Motorwelle 102 angebracht
und mit dieser drehbar ist und aus einem Gleitkopf 145 in
Form eines zweiten Rings 146, der in diesem Beispiel an
einer feststehenden Struktur (nicht gezeigt) angebracht ist. Die
axiale Fixierung des ersten Ringes 144 kann auf verschiedene
Art und Weise erfolgen. In diesem Beispiel wird der erste Ring 144 mit
einer Mutter 150 an der Motorwelle 102 befestigt.
Bei Verwendung eines Gleitrings 144 aus einem keramischen
Material muss darauf geachtet werden, dass die Befestigungskräfte den
etwas spröden
Gleitring nicht sprengen.The basic principle of the solution according to the invention for this problem is in the 3 shown. Here is the mechanical seal 110 as before from a first ring 144 that is on the motor shaft 102 attached and rotatable with this and a sliding head 145 in the form of a second ring 146 , which in this example is attached to a fixed structure (not shown). The axial fixation of the first ring 144 can be done in different ways. In this example, the first ring becomes 144 with a mother 150 at the motor shaft 102 attached. When using a sliding ring 144 made of a ceramic material must be taken to ensure that the fastening forces do not break the somewhat brittle seal ring.
In
der dem zweiten Ring 146 gegenüberliegenden Dichtfläche des
ersten Ringes 144 sind sich in radialer Richtung erstreckende
Nuten 152 vorgesehen, die im Betrieb Luft (Pfeil 154)
aus dem Motorraum 100 schöpfen und diese in den Förderraum 112 fördern. Die
beförderte
Luftmenge soll möglichst klein
sein, dennoch soll sie groß genug
sein, um einen statischen Druck zwischen den beiden Ringen 144, 146 aufzubauen,
der den Ring 144 gegen die Kraft einer (nicht gezeigten)
Vorspanneinrichtung vom Ring 146 um einen kleinen Betrag
wegdrückt.In the second ring 146 opposite sealing surface of the first ring 144 are radially extending grooves 152 provided in the operation air (arrow 154 ) from the engine compartment 100 scoop them up and into the pumping room 112 promote. The amount of air carried should be as small as possible, yet it should be large enough to a static pressure between the two rings 144 . 146 build up the ring 144 against the force of a biasing device (not shown) from the ring 146 pushes away by a small amount.
Der
Spalt zwischen den beiden Ringen 144, 146 kann
im Betrieb beispielsweise eine Breite im μ-Bereich aufweisen. Die kleine
Luftmenge, die in den Wasserstoffstrom gelangt (Pfeil 156),
ist nicht schädlich,
sie reicht aber aus, um zu verhindern, dass Wasserstoff in die entgegengesetzte
Richtung (Pfeil 158) zwischen den Ringen 144 bzw. 146 in
signifikanten Mengen in den Motorraum 100 gelangt. Da zwischen
den beiden Ringen 144, 146 ein kleiner Abstand
im Betrieb vorgesehen ist, berühren
diese Ringe einander nicht und es kommt zu keinem Abrieb, das heißt die Dichtfunktion
ist über
längere
Zeit ohne Schmierung gewährleistet.
Ferner führt
die Luftströmung
zu einer Kühlung
der Ringen 144, 146. Durch den Anlauf wird es
kurzfristig Reibung geben und das Ziel ist, dass der sich einstellende
Volumenstrom die Wärme
austrägt.
Damit ist eine lange Lebensdauer sichergestellt und Verschleiß wird weitestgehend
vermieden.The gap between the two rings 144 . 146 may, for example, have a width in the μ range during operation. The small amount of air that enters the stream of hydrogen (arrow 156 ), is not harmful, but it is sufficient to prevent hydrogen in the opposite direction (arrow 158 ) between the rings 144 respectively. 146 in significant quantities in the engine compartment 100 arrives. There between the two rings 144 . 146 a small distance is provided during operation, these rings do not touch each other and there is no abrasion, that is, the sealing function is ensured for a long time without lubrication. Furthermore, the air flow leads to a cooling of the rings 144 . 146 , The startup will cause friction in the short term and the goal is that the resulting volume flow dissipates the heat. This ensures a long service life and wear is largely avoided.
Wie
dieses Prinzip in der Praxis realisiert werden kann, wird nunmehr
anhand der weiteren Figuren näher
erläutert.As
This principle can be realized in practice is now
on the basis of the further figures closer
explained.
Die 4 zeigt zunächst eine
Draufsicht auf die Stirnseite der Dichtfläche des ersten Ringes 144 woraus
die Auslegung der Nuten 152 ersichtlich ist. Die Nuten
sind in 4 nur in einem
Teilbereich des ersten Ringes gezeigt, in der praktischen Ausführung werden
sie über
den gesamten Umfang des ersten Ringes 144 in gleichmäßiger Teilung
vorgesehen. Man merkt, dass obwohl die Nuten sich radial erstrecken,
sie keine streng radial orientierten Nuten sind, sondern so ausgelegt
sind, dass sie unter Berücksichtigung
der Drehrichtung 160 der Motorwelle und des ersten Ringes 144 die
erforderliche Luftströmung 154, 156 erzeugen.
Das heißt
die Nuten sind geeignet geformt und gleichförmig auf dem Umfang des Gleitringes
verteilt, um die Luft, wie in der 3 gezeigt,
von radial innen nach radial außen
zu fördern.The 4 shows first a plan view of the end face of the sealing surface of the first ring 144 from which the design of the grooves 152 is apparent. The grooves are in 4 shown only in a portion of the first ring, in practice, they are over the entire circumference of the first ring 144 provided in even division. It will be noted that although the grooves extend radially, they are not strictly radially oriented grooves, but are designed to take into account the direction of rotation 160 the motor shaft and the first ring 144 the required air flow 154 . 156 produce. That is, the grooves are suitably shaped and uniformly distributed on the circumference of the slip ring to the air, as in the 3 shown to promote from radially inward to radially outward.
Die 5 zeigt nun eine weitere
praktische Ausführung
einer Gleitringdichtung 110 entsprechend der vorliegenden
Erfindung. Bei der Gleitringdichtung der 5 ist der zweite Ring 146 in
einem Aufnahmering 162 aufgenommen. Der zweite Ring 146 hat
eine Stufenbohrung 164 und der Aufnahmering 162 eine
Ringschulter 166, die mit der Stufenbohrung 164 des
zweiten Ringes 146 einen ringförmigen Raum 168 bildet,
der eine Ringdichtung 170 aufnimmt. Durch diese Ringdichtung 170 ist
der zweite Ring 146 gegenüber dem Aufnahmering 162 abgedichtet.
Der sich bewegende – vorgefederte – zweite Ring 146 muss
gegen den Aufnahmering 162 abgedichtet sein, obwohl er
sich ja leicht axial bewegen wird. Die Dichtung 170 soll
gegen Wasserstoff dicht sein und gleichzeitig quasi geringste Kräfte gegen
die axiale Bewegung einleiten. Der zweite Ring 146 soll sich
ja federleicht auf den Volumenstrom einstellen und einen kleinen
Abstand einfedern. Diese leichte Federkraft ist ein wichtiger Punkt
der Lösung.
Die sich einstellende Abhebkraft des Gleitkopfes ist gering.The 5 now shows another practical design of a mechanical seal 110 according to the present invention. For the mechanical seal of the 5 is the second ring 146 in a recording ring 162 added. The second ring 146 has a stepped bore 164 and the recording ring 162 an annular shoulder 166 that with the stepped bore 164 of the second ring 146 an annular space 168 that forms a ring seal 170 receives. Through this ring seal 170 is the second ring 146 opposite the receiving ring 162 sealed. The moving - pre-sprung - second ring 146 must be against the recording ring 162 sealed, although it will move easily axially. The seal 170 should be tight against hydrogen and at the same time initiate virtually the slightest forces against the axial movement. The second ring 146 should adjust as light as a feather on the volume flow and compress a small distance. This light spring force is an important point of the solution. The self-adjusting lifting force of the sliding head is low.
Die
Stufenbohrung 164 des zweiten Ringes 142 bildet
ferner einen vorstehenden Ringvorsprung 172, der in eine
Ringvertiefung 174 des Aufnahmeringes 162 hineinragt.
Zwischen der Stirnseite des Ringvorsprunges 170 und dem
Boden der Ringaufnahme 172 befinden sich Tellerfedern 176,
die den zweiten Ring 146 in Richtung auf den ersten Ring 144 zu
vorspannen.The stepped bore 164 of the second ring 142 further forms a projecting annular projection 172 in a ring recess 174 of the recording ring 162 protrudes. Between the front of the ring projection 170 and the bottom of the ring receiver 172 there are disc springs 176 that the second ring 146 towards the first ring 144 to pretend.
In
diesem Beispiel ist der Aufnahmering 162 mit dem zweiten
Ring 146 in einem Gehäusebereich 107 angeordnet,
der bspw. durch den Lagerschild gebildet werden kann und zur feststehenden
Struktur des Motorgehäuses
bzw. des Pumpengehäuses
gehört.
Gegenüber
diesem Gehäusebereich
ist der Aufnahmering abgedichtet. Der erste Ring 144 ist
dagegen drehfest an der Motorwelle 102 angebracht und die
Nuten 186, die hier für
die erforderliche Luftströmung
sorgen, sind im radial äußeren Bereich
des ersten Ringes 140 angeordnet, wie in der 6 für eine einzelne Nut in einer
perspektivischen Darstellung gezeigt ist.In this example, the pickup ring is 162 with the second ring 146 in a housing area 107 arranged, for example, can be formed by the end plate and belongs to the fixed structure of the motor housing or the pump housing. Opposite this housing area, the receiving ring is sealed. The first ring 144 is against rotation on the motor shaft 102 attached and the grooves 186 , which provide here for the required air flow, are in the radially outer region of the first ring 140 arranged as in the 6 for a single groove is shown in a perspective view.
Der
Aufnahmering 162 weist in diesem Beispiel gemäß 5 eine zylindrische Außenwand 178 auf,
innerhalb derer mindestens ein Teilbereich des zweiten Rings 146 angeordnet
ist. Der zweite Ring 146 hat an mehreren Stellen, beispielsweise
an drei gleichmäßig verteilten
Stellen, Längsnuten 180 in seiner
radial äußeren Wand,
wobei nur eine solche Längsnut
aufgrund der Schnittebene in der 5 ersichtlich
ist. Die zylindrische Außenwand 178 des Aufnahmerings 162 ist
lokal in diese Längsnuten 180 eingedrückt, wie
bei 184 gezeigt und verhindert somit eine relative Drehbewegung
zwischen dem zweiten Ring 146 und dem Aufnahmering 162.The recording ring 162 indicates in this example 5 a cylindrical outer wall 178 within, within which at least a portion of the second ring 146 is arranged. The second ring 146 has at several points, for example, at three evenly spaced locations, longitudinal grooves 180 in its radially outer wall, wherein only such a longitudinal groove due to the sectional plane in the 5 is apparent. The cylindrical outer wall 178 of the recording ring 162 is local in these longitudinal grooves 180 pressed in, as at 184 and thus prevents relative rotational movement between the second ring 146 and the recording ring 162 ,
Die
Nuten 186 im ersten Ring 144 sind, wie in 6 anhand lediglich einer
Nut gezeigt ist, Nuten mit einem V-förmigen Querschnitt und einem
gekrümmten
Verlauf mit einer Tiefe, die in Richtung radial nach innen progressiv
kleiner wird und bei Null ausläuft,
noch bevor sie die radial innere Wand 188 des ersten Ringes 144 erreichen.
Durch den gekrümmten
schrägen
Verlauf der Nuten bilden diese einen spitzen Winkel mit der Umfangsrichtung
des ersten Ringes 144 in der Drehrichtung 160 betrachtet.
Dadurch, dass die Tiefe der Nuten 186 (von denen nur die
eine Nut in 6 gezeigt
ist, in der Tat aber eine Vielzahl von solchen in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt
angeordneten Nuten vorgesehen ist), noch innerhalb des Ringes in
eine Tiefe Null ausläuft,
so dass die schmalen Enden der Nuten einen deutlichen radialen Abstand
Ra von der radial inneren Wand 188 des ersten Ringes 144 aufweisen,
liegt innerhalb der Nuten 186 eine Ringfläche 190 vor,
die der durchgehenden Ringfläche 192 des
zweiten Rings 146 gegenüberliegt.The grooves 186 in the first ring 144 are, as in 6 is shown with only one groove, grooves with a V-shaped cross-section and a curved course with a depth that is progressively smaller toward radially inward and expires at zero, even before the radially inner wall 188 of the first ring 144 to reach. Due to the curved oblique course of the grooves, these form an acute angle with the circumferential direction of the first ring 144 in the direction of rotation 160 considered. Because of the depth of the grooves 186 (of which only one groove in 6 is shown, but in fact a plurality of such evenly distributed in the circumferential direction arranged grooves is provided), still within the ring in a depth of zero running, so that the narrow ends of the grooves have a significant radial distance Ra from the radially inner wall 188 of the first ring 144 lie within the grooves 186 a ring surface 190 before, the continuous ring surface 192 of the second ring 146 opposite.
Im
Stillstand ist alles mechanisch dicht, es wird keine Luftströmung durch
den ersten Ring 144 erzeugt, so dass die Ringfläche 192 des
zweiten Rings 146 an der Ringfläche 190 des ersten
Ringes 144 unter der Wirkung der Vorspanneinrichtung 174 anliegt
und mit dieser eine statische Dichtung bildet, die einen möglichen
Verlust an Wasserstoff zwischen den zwei Ringen 144, 146 verhindert.
D.h. die Ringflächen 190 und 192 sind
Bereiche ohne Nuten.At standstill, everything is mechanically tight, there is no air flow through the first ring 144 generated, so that the ring surface 192 of the second ring 146 on the ring surface 190 of the first ring 144 under the action of the pretensioner 174 and forms with this a static seal, which is a possible loss of hydrogen between the two rings 144 . 146 prevented. Ie the ring surfaces 190 and 192 are areas without grooves.
Bei
einer Drehbewegung der Motorwelle 102 steigt der Druck
in der Richtung radial nach innen entlang der Nuten 186 an,
da die Querschnittsfläche der
Nuten sich in diese Richtung progressiv verkleinert, so dass ein
erhöhter
Druckbereich (durch das Bezugszeichen 194 in 6 dargestellt) vorliegt.
Der erhöhte
statische Druck in diesem Bereich, der nur bei Drehung der Motorwelle 102 entsteht,
sorgt dafür, dass
der zweite Ring 142 entgegen der Kraft der durch die Tellerfeder 174 gebildeten
Vorspanneinrichtung sich axial geringfügig vom ersten Ring 140 entfernt,
wodurch Abrieb an den zwei Ringen verhindert wird.During a rotary movement of the motor shaft 102 the pressure increases in the direction radially inward along the grooves 186 because the cross-sectional area of the grooves progressively decreases in this direction, so that an increased pressure range (denoted by the reference numeral 194 in 6 shown) is present. The increased static pressure in this area, the only with rotation of the motor shaft 102 arises, ensures that the second ring 142 against the force of the plate spring 174 formed biasing device axially slightly from the first ring 140 removed, which prevents abrasion on the two rings.
Da
im Stillstand die beiden Ringe (144, 145) sich
berühren
und beim Einschalten des Motors ein Übergang zu einem Abstand zwischen
den beiden Ringen 144, 146 im Betrieb stattfinden
muss, ist in der Übergangsphase
mit Reibung zwischen den Ringen zu rechnen. Um diese herabzusetzen,
ist es günstig,
die Oberfläche
des einen und/oder des anderen Ringes mit einer Gleitbeschichtung
zu versehen, die eine Relativbewegung der beiden Flächen ohne
Schmierung wenigstens für
kurze Zeit und bei niedriger Drehzahl erlaubt. Solche Beschichtungen können Kunststoffbeschichtungen
sein, wie beispielsweise PTFE oder physikalische Beschichtungen,
die durch CVD oder PVD erzeugt werden, wobei solche Beschichtungen
mit niedrigen Reibungskoeffizienten und geringem Abrieb an sich
gut bekannt sind. Streng genommen muss die Gleitbe schichtung nur
im Bereich der durchgehenden Ringflächen vorgesehen werden, es
wäre aber
vermutlich einfacher, die gesamte Fläche der sich gegenüberliegenden Stirnseiten
des ersten Ringes 144 und des zweiten Ringes 146 mit
einer solchen Beschichtung vorzusehen.Because at standstill the two rings ( 144 . 145 ) and when switching on the motor, a transition to a distance between the two rings 144 . 146 must take place during operation, in the transition phase with friction between the rings expected. To reduce this, it is favorable to provide the surface of the one and / or the other ring with a sliding coating, which allows a relative movement of the two surfaces without lubrication at least for a short time and at low speed. Such coatings can be plastic coatings such as PTFE or physical coatings produced by CVD or PVD, such coatings having low coefficients of friction and low abrasion being well known in the art. Strictly speaking, the Gleitbe coating must be provided only in the area of the continuous annular surfaces, but it would probably be easier, the entire surface of the opposite end faces of the first ring 144 and the second ring 146 to provide with such a coating.
Im
Betrieb wird somit Luft entsprechend dem Pfeil 154 in 5 und 6 durch den Ringspalt zwischen dem Gehäusebereich 107 und
dem ersten Ring 144 bzw. durch die radialen Öffnungen 109 im Gehäusebereich 107 eingesaugt
und von den Nuten 186 zwischen die einander gegenüberliegenden
Flächen
des ersten Rings 144 und des zweiten Rings 146 gedrückt. Hierdurch
wird ein statischer Druck zwischen den Ringen 144 und 146 aufgebaut,
der den zweiten Ring 142 entgegen der Vorspannung der Tellerfeder 174 in 5 axial nach links drückt, wodurch
eine Luftströmung
durch den Ringspalt 194 in dem Förderraum 112 erfolgt.
Während
bei der Ausführung
gemäß 3 und 4 die Strömungsrichtung der Luft durch
die Gleitringdichtung 110 von radial innen nach radial
aussen erfolgt, ist sie bei der 5 und 6 Ausführung von radial aussen nach
radial innen gerichtet. Diese Strömung verhindert, dass Wasserstoff
in der entgegengesetzten Richtung strömt, so dass der Wasserstoff
weitestgehend innerhalb des Förderraumes 112 gehalten
wird. Erprobungen haben gezeigt, dass man mit einem derartigen System
für eine
Antriebsleistung von 0,1 kW den Verlust an Wasserstoff durch die
Gleitringdichtung unterhalb von 0,000833419 g/s halten kann. Dabei
wurde bei dieser Erprobung mit einem Wellendurchmesser von 7 mm
und Drehzahlen bis zu 25.000 U/min gearbeitet.In operation, air is thus according to the arrow 154 in 5 and 6 through the annular gap between the housing area 107 and the first ring 144 or through the radial openings 109 in the housing area 107 sucked in and out of the grooves 186 between the opposing surfaces of the first ring 144 and the second ring 146 pressed. This causes a static pressure between the rings 144 and 146 built the second ring 142 against the bias of the diaphragm spring 174 in 5 pushes axially to the left, creating a flow of air through the annular gap 194 in the pump room 112 he follows. While in the execution according to 3 and 4 the flow direction of the air through the mechanical seal 110 From radially inside to radially outside, it is in the 5 and 6 Execution directed from radially outward to radially inward. This flow prevents hydrogen from flowing in the opposite direction, so that the hydrogen largely within the pumping chamber 112 is held. Trials have shown that with such a system for a drive power of 0.1 kW one can keep the loss of hydrogen through the mechanical seal below 0.000833419 g / s. In this test, a shaft diameter of 7 mm and speeds of up to 25,000 rpm were used.
Die
kleine Luftmenge, die sich unter diesen Bedingungen in den Wasserstoffkreislauf
hinein bewegt, wird nicht als störend
empfunden, da sie im Vergleich zu der vorhandenen umgewälzten Wasserstoffmenge
verschwindend gering ist.The
small amount of air that is in these conditions in the hydrogen cycle
moving into it will not be annoying
felt as compared to the existing circulating hydrogen amount
is negligible.
Die 7 zeigt eine Möglichkeit,
eine erfindungsgemäße Gleitringdichtung
gemäß 5 und 6 in einen Motor mit der allgemeinen
Ausbildung der 2 zu
integrieren.The 7 shows a possibility of a mechanical seal according to the invention 5 and 6 into an engine with the general education of 2 to integrate.
Die 7 zeigt, im Gegensatz zu
der 2, den Stator 200 und
den Rotor 202 des E-Motors sowie ein zusätzliches
Lager 204 am oberen Ende 206 der Motorwelle 102,
wobei am freien oberen Ende der Motorwelle ein Gebläserad 208 angebracht
ist. Das Lager 204 ist in einer Lageraufnahme 205 untergebracht,
die über
eine Öffnungen
aufweisende Wand 207 vom Motorgehäuse getragen wird. Oberhalb
des Gebläserades
und innerhalb des Motorraums 100 befindet sich in diesem
Beispiel eine Motorsteuerung 210. Das Gebläse sorgt
dafür,
dass eine Luftströmung
(Pfeil 212) durch eine nicht dargestellte Öffnung des
Gehäuses
und durch die Motorsteuerung 210 erfolgt. Der entsprechende
Luftstrom wird anschließend
durch das Gebläserad 208 um
den Stator und den Rotor und zwischen diesen beiden Teilen gedrückt. Er
entweicht dann aus dem unteren Bereich des Motorgehäuses durch
einen dort vorgesehenen Ausgang (in 7 nicht
gezeigt aber ähnlich dem
Ausgang 214 der 8 realisiert)
Dieser Luftstrom 212 dient zunächst der Kühlung des Motors weshalb ein
Ausgang wie 214 notwendig ist, um die erforderliche Durchströmung des
Motors zu erreichen. Eventuell kann auf einen Ausgang 214 verzichtet
werden, wenn eine ausreichende Strömung durch die Labyrinthdichtung 216 zulässig ist.The 7 shows, in contrast to the 2 , the stator 200 and the rotor 202 of the electric motor and an additional bearing 204 at the upper end 206 the motor shaft 102 , wherein at the free upper end of the motor shaft, an impeller 208 is appropriate. The warehouse 204 is in a warehouse 205 housed, which has an opening wall 207 is carried by the motor housing. Above the blower wheel and inside the engine compartment 100 is located in this example, a motor controller 210 , The fan ensures that a flow of air (arrow 212 ) through an opening, not shown, of the housing and through the engine control 210 he follows. The corresponding air flow is then through the impeller 208 pressed around the stator and the rotor and between these two parts. It then escapes from the lower area of the motor housing through an outlet provided there (in 7 not shown but similar to the output 214 of the 8th realized) This air flow 212 initially serves to cool the engine which is why an output like 214 necessary to achieve the required flow through the engine. Maybe it can be on an output 214 be waived if sufficient flow through the labyrinth seal 216 is permissible.
Diese
Labyrinthdichtung 216 ist unmittelbar unterhalb des aus
dem Stator 200 und Rotor 202 gebildeten Motors
vorgesehen und besteht aus einem sich drehenden Teil 218,
das an der Motorwelle angebracht ist und einem feststehenden Teil 220,
das über eine
radiale Trennwand 222 an das Motorgehäuse 104 angebracht
ist. Die Gleitringdichtung 110 gemäßThis labyrinth seal 216 is just below the out of the stator 200 and rotor 202 formed engine and consists of a rotating part 218 , which is attached to the motor shaft and a fixed part 220 that has a radial partition wall 222 to the motor housing 104 is appropriate. The mechanical seal 110 according to
5 und 6 befindet sich in diesem Beispiel unmittelbar
oberhalb des oberen Impellerrades 116 der Impellerpumpe
und das umgebende Gehäuse 107 wird
in diesem Beispiel von einer radialen Wand 209 des Pumpengehäuses bzw.
des Motorgehäuses 104 getragen.
Zwischen dem drehbaren ersten Ring 144 und der Labyrinthdichtung 216 befindet
sich ein weiteres Gebläserad 224,
das einerseits eine kleine Luftströmung durch die Labyrinthdichtung
forciert und andererseits etwaigen durch die Gleitringdichtung 110 entweichenden
Wasserstoff nach außen
in einen Ausgangskanal 226 hinein befördert. Dieser Ausgangskanal 226 kann
mit einem Katalysator ausgestattet werden (nicht gezeigt aber wie 228 in 8 ausgebildet), der dafür sorgt,
dass der Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff zu Wasser reagiert.
Es werden somit die unschädlichen
Gase durch den Ausgangskanal in die äußere Umgebung abgelassen. Es wäre auch
denkbar die in den Ausgangskanal fließenden Gase der Kathodenseite
des Brennstoffzellensystems zuzuführen. 5 and 6 is in this example just above the upper Impellerrades 116 the impeller pump and the surrounding housing 107 is in this example of a radial wall 209 the pump housing or the motor housing 104 carried. Between the rotatable first ring 144 and the labyrinth seal 216 there is another blower wheel 224 , on the one hand forced a small air flow through the labyrinth seal and on the other hand possibly through the mechanical seal 110 escaping hydrogen to the outside in an output channel 226 promoted into. This output channel 226 can be equipped with a catalyst (not shown but how 228 in 8th trained), which ensures that the hydrogen reacts with the atmospheric oxygen to water. Thus, the harmless gases are discharged through the exit channel into the external environment. It would also be conceivable to supply the gases flowing into the outlet channel to the cathode side of the fuel cell system.
Man
merkt, dass bei der Konstruktion der 7 das
mittlere Lager im Bereich des Lagerschildes 106 der 2 weggelassen ist, so dass
die Motorwelle schließlich
nur durch das untere Lager 132 und das obere Lager 204.
gelagert ist. Denkbar wäre es
auch, das untere Lager 132 wegzulassen und das Lager 108 der 2 in der radialen Wand 209 oberhalb
des ersten Ringes 144 anzuordnen, wodurch diese radiale
Wand 209 zu einem Lagerschild gemacht wird. Ein solches
Lager, wie bei der 2,
hat den Vorteil, dass ein preiswertes Standardlager mit bekannter
Haltbarkeit zur Anwendung gelangen kann.One notices that in the construction of the 7 the middle bearing in the area of the end shield 106 of the 2 is omitted, so that the motor shaft finally only through the lower bearing 132 and the upper bearing 204 , is stored. It would also be conceivable, the lower camp 132 leave out and the camp 108 of the 2 in the radial wall 209 above the first ring 144 to arrange, causing this radial wall 209 is made to a bearing shield. Such a camp, as in the 2 , has the advantage that a cheap standard storage with known durability can be applied.
Die 8 zeigt eine mögliche weitere
Abwandlung der Konstruktion gemäß 7, wobei die in 8 verwendeten Bezugszeichen
die gleichen sind wie in 7 und
die bisherige Beschreibung auch für Teile mit dem gleichen Bezugszeichen
gilt, es sei denn, dass etwas anderes angegeben wird. Diese Praxis
gilt auch für
die anderen Ausführungsbeispiele.
Es sind bei der Ausführung
gemäß 8 zwei Hauptunterschiede
festzustellen. Als erstes ist die Labyrinthdichtung 216 der 7 durch eine Gleitringdichtung 110' gemäß 5 ersetzt worden, die anders
herum angeordnet ist, als bei der Gleitringdichtung 110,
die benachbart zum Impellerrad 116 angeordnet ist. Auch
hier wird der erste Ring 144 von der Motorwelle 102 getrieben.
Da bei dieser Art der Konstruktion die Luftströmung durch die zweite erfindungsgemäße Gleitringdichtung 110' durchaus kleiner
ist als der Luftstrom durch die Labyrinthdichtung 216 der
Ausführung
gemäß 7, ist es hier eher erforderlich,
einen Auslass 214 für
Druckluft aus dem Motorraum vorzusehen, damit das Gebläserad 208 für eine gute
Durchströmung
des Motorraumes sorgen kann. Die zweite Gleitringdichtung 110' ist in der 8 von der radialen Wand 222 getragen,
wobei das Gebläserad 224 sich
in einem Raum 240 befindet, der zwischen der radialen Wand 209 und
der radialen Wand 222 befindet. Die vom Gebläserand 208 erzeugte
Kühlluft
erlaubt eine preiswerte Motorkonstruktion ohne Wasserkühlung.The 8th shows a possible further modification of the construction according to 7 , where the in 8th Reference numerals used are the same as in FIG 7 and the previous description also applies to parts with the same reference number, unless otherwise stated. This practice also applies to the other embodiments. It is in the execution according to 8th to detect two major differences. First is the labyrinth seal 216 of the 7 through a mechanical seal 110 ' according to 5 has been replaced, which is arranged the other way round, as in the mechanical seal 110 , which are adjacent to the impeller wheel 116 is arranged. Again, the first ring 144 from the motor shaft 102 driven. As in this type of construction, the air flow through the second mechanical seal according to the invention 110 ' is quite smaller than the air flow through the labyrinth seal 216 according to the execution 7 , it is more necessary here, an outlet 214 provide for compressed air from the engine compartment, thus the impeller 208 can provide a good flow through the engine compartment. The second mechanical seal 110 ' is in the 8th from the radial wall 222 worn, with the impeller 224 in a room 240 located between the radial wall 209 and the radial wall 222 located. The blower rim 208 generated cooling air allows a low-cost engine design without water cooling.
Bei
der Ausführung
gemäß 3 und 4 ist der erste Ring 144 mit
der Motorwelle 102 drehbar angebracht, während der
zweite Ring 146 an einer feststehenden Struktur des Motors
bzw. der Pumpe angeordnet ist.In the execution according to 3 and 4 is the first ring 144 with the motor shaft 102 rotatably mounted while the second ring 146 is arranged on a fixed structure of the motor or the pump.
Bei
den Ausführungsformen
gemäß 5, 6, 7 und 8 ist der erste Ring 144 ebenfalls
an der Motorwelle 102 drehbar angebracht, während der
zweite Ring 146 einen Teil eines stationär angeordneten Gleitkopfes 145 bildet.In the embodiments according to 5 . 6 . 7 and 8th is the first ring 144 also on the motor shaft 102 rotatably mounted while the second ring 146 a part of a stationary arranged sliding head 145 forms.
Die 9 zeigt nunmehr eine weitere
erfindungsgemäße Ausführung einer
Gleitringdichtung 110, bei der der Gleitkopf 145 mit
dem zweiten Ring 146 an der Motorwelle 102 befestigt
ist, dagegen der erste Ring 144 feststehend in einem Gehäuse wie 107 in 5 angeordnet ist.The 9 now shows another embodiment of the invention of a mechanical seal 110 in which the sliding head 145 with the second ring 146 at the motor shaft 102 is attached, however, the first ring 144 fixed in a housing like 107 in 5 is arranged.
Bei
der Ausführung
gemäß 9 sind Teile, die Teilen
der bisherigen Ausführungsformen
gemäß 5 bis 8 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und es versteht sich, dass die bisherige Beschreibung auch
für diese
Teile gilt. Es werden hier hauptsächlich die Unterschiede erörtert.In the execution according to 9 are parts that are parts of the previous embodiments according to 5 to 8th correspond, provided with the same reference numerals and it is understood that the previous description also applies to these parts. It mainly discusses the differences here.
Bei
der Ausführungsform
gemäß 9 wird der Aufnahmering 160 über Madenschrauben 242 an einen
oder mehreren radialen Stellen an der Motorwelle 102 drehfest
angebracht. Auch hier wird ein dünnwandiger
Teil 178 des Aufnahmerings 162 in axiale Längsnuten 180 in
der Außenwand
des zweiten Ringes eingedellt, so dass der zweite Ring 146 drehfest
mit dem Aufnahmering verbunden ist. In diesem Beispiel liegt die
Ringdichtung 170 nicht zwischen dem zweiten Ring 146 und
dem Aufnahmering 162, sondern zwischen dem zweiten Ring 146 und der
Motorwelle 102, wobei die Ringdichtung 170 auch
entsprechend der Darstellung der 5 angeordnet
werden könnte,
wenn der Aufnahmering mit einer entsprechenden Ringschulter 166 ausgestattet wäre.In the embodiment according to 9 becomes the recording ring 160 over grub screws 242 at one or more radial locations on the motor shaft 102 rotatably attached. Again, a thin-walled part 178 of the recording ring 162 in axial longitudinal grooves 180 dented in the outer wall of the second ring, so that the second ring 146 rotatably connected to the receiving ring. In this example, the ring seal lies 170 not between the second ring 146 and the recording ring 162 but between the second ring 146 and the motor shaft 102 , wherein the ring seal 170 also according to the representation of the 5 could be arranged if the receiving ring with a corresponding annular shoulder 166 equipped.
In
diesem Beispiel sind die Tellerfedern 174, die in 5 die Vorspanneinrichtung
bilden, nicht vorgesehen, sondern statt dessen sind mehrere Schraubendruckfedern 244 vorgesehen,
die gleichmäßig verteilt
um die Drehachse A der Motorwelle 102 angeordnet sind,
wobei diese Schraubendruckfeder in Blindbohrungen 246 aufgenommen
sind, die an radialen Stellen platziert sind, wo keine Madenschraube
vorliegt. Beim Vorsehen von drei gleichmäßig verteilten Madenschrauben
an den Winkelstellen 0°,
120° und
240° um
die Drehachse A, könnten
beispielsweise die Bohrungen 246, die die Schraubendruckfeder 244 aufnehmen,
bei 60°,
180° und 300° angeordnet
werden. Die axiale Tiefe des Aufnahmeringes 162 sowie die
axiale Länge
des zweiten Ringes 146 sind in diesem Beispiel im Vergleich
zu der Ausführung
gemäß 5 größer geworden.In this example, the disc springs 174 . in the 5 form the biasing means, not provided, but instead there are several helical compression springs 244 provided evenly distributed around the rotation axis A of the motor shaft 102 are arranged, said helical compression spring in blind holes 246 are taken, which are placed at radial locations where there is no grub screw. When providing three evenly distributed grub screws at the angles 0 °, 120 ° and 240 ° about the axis of rotation A, for example, the holes 246 that the helical compression spring 244 be placed at 60 °, 180 ° and 300 °. The axial depth of the receiving ring 162 and the axial length of the second ring 146 are in this example compared to the embodiment according to 5 got bigger.
Bei
der Ausführung
gemäß 9 ist eine Ringplatte 245 am
linken Ende des zweiten Ringes 146 vorgesehen, gegen die
die Schraubenfedern 244 drücken. Diese Ringplatte 245,
die einstückig
mit dem zweiten Ring 146 ausgebildet sein kann oder ein getrenntes
Bauteil darstellt, das nachträglich
durch Schweißen,
Kleben oder anderweitig am zweiten Ring befestigt wird, verhindert,
dass die eingedellten Bereiche 184 des Aufnahmeringes 162 sich
axial vom zweiten Ring 146 trennen, so dass das Gleitkopfmodul 145 bestehend
aus dem Aufnahmering 162, dem zweiten Ring 146,
der Ringdichtung 170, der Vorspanneinrichtung 244 und
gegebenenfalls den Madenschrauben 242 stets zusammenbleibt, wodurch
die einzelnen Teile nicht verloren gehen können.In the execution according to 9 is a ring plate 245 at the left end of the second ring 146 provided against which the coil springs 244 to press. This ring plate 245 that is integral with the second ring 146 may be formed or represents a separate component, which is subsequently attached by welding, gluing or otherwise on the second ring, prevents the dented areas 184 of the recording ring 162 axially from the second ring 146 disconnect, allowing the slider module 145 consisting of the receiving ring 162 , the second ring 146 , the ring seal 170 , the pretensioner 244 and if necessary the grub screws 242 always stays together, so that the individual parts can not be lost.
Der
erste Ring 144 ist in dieser Ausführung mit einer Ringdichtung 247 ausgestattet,
die einen zylindrischen Vorsprung 248 des ersten Ringes
umgibt und gegen eine radiale Schulter 250 einer Stufenbohrung
252 im Gehäuse
gedrückt
wird. Die Ringdichtung verhindert, dass sich Luft außen um den ersten
Ring 144 herum bewegt. Zwischen der inneren Bohrung 254 des
ersten Ringes 144 und der Motorwelle 102 befindet
sich jedoch ein schmaler ringförmiger
Freiraum 256, durch den Luft strömen kann.The first ring 144 is in this version with a ring seal 247 equipped with a cylindrical projection 248 the first ring surrounds and against a radial shoulder 250 a stepped bore 252 is pressed in the housing. The ring seal prevents air outside around the first ring 144 moved around. Between the inner bore 254 of the first ring 144 and the motor shaft 102 However, there is a narrow annular space 256 through which air can flow.
Das
Bezugszeichen 258 zeigt einen Stift, der in das Gehäuse 107 eingeschraubt
ist und in eine radiale Ausnehmung 260 des ersten Ringes 144 eingreift,
um eine relative Drehung des ersten Ringes 144 gegenüber dem
Gehäuse 107 zu
verhindern.The reference number 258 shows a pin in the case 107 is screwed in and into a radial recess 260 of the first ring 144 engages relative rotation of the first ring 144 opposite the housing 107 to prevent.
Die
Konstruktion gemäß 9 kann auf zweierlei Arten
benutzt werden. Der Raum rechts vom ersten Ring 144 kann
der Motorraum 100 sein, d.h. hier kann Luft vorliegen.
Bei Drehung der Motorwelle 102 wird Luft dann durch den
Ringspalt 256 gezogen und radial nach außen zwischen
dem ersten Ring 144 und den zweiten Ring 146 gedrückt. Die
so beförderte
Luft gelangt dann in den Förderraum 112 links
vom ersten Ring 144 in 9.
Alternativ hierzu könnte
der Raum links vom Gleitkopf 145 der Motorraum 100 sein
und es würde
dann eine Lüftströmung außen um den
zweiten Ring 146 und dann radial nach innen zwischen dem
Ring 146 und den Ring 144 erfolgen, wonach die
so beförderte
Luft durch den Ringspalt 256 nach rechts in den dort vorgesehenen
Förderraum 112 erfolgt.The construction according to 9 can be used in two ways. The room to the right of the first ring 144 can the engine compartment 100 be, ie here may be air. Upon rotation of the motor shaft 102 Air is then through the annular gap 256 pulled and radially outward between the first ring 144 and the second ring 146 pressed. The air thus transported then passes into the delivery room 112 to the left of the first ring 144 in 9 , Alternatively, the room could be to the left of the slider 145 the engine room 100 and then there would be a vent flow outside the second ring 146 and then radially inward between the ring 146 and the ring 144 take place, after which the air thus transported through the annular gap 256 to the right in the delivery room provided there 112 he follows.
Man
muss bei der Auslegung der Gleitringdichtung 110 entscheiden,
in welche Richtung die Luft strömen
soll, d.h. radial nach innen oder nach außen und die Nuten 186 im
zweiten drehbaren Ring 146 entsprechend anbringen, so dass
der erwünschte
Luftstrom erzeugt wird. Die Nuten 186 der 6 oder die Nuten 152 der 4 könnten beispielsweise hier verwendet
werden. Wenn es darum geht, eine Luftströmung von radial innen nach
radial außen
zu erzeugen, müsste
die große
Querschnittsfläche
der Nuten an der radial inneren Seite des Ringes 146, unter
Berücksichtigung
der Drehrichtung des Ringes 146 angeordnet werden. Die
Nuten 186 bzw. 152 müssen dann radial vor dem äußeren Umfang
des Ringes 146 auslaufen, so dass eine radial außen angeordnete
ununterbrochene Ringfläche
vorliegt um die statische Dichtfunktion zu erreichen. Die Teile 145 und 146 gehören zusammen
und drehen mit der Welle mit. Sie werden durch ein Federsystem gegen
den stillstehenden ersten Ring gedrückt. Nur der Volumenstrom hebt
diese dann voneinander ab.One must in the design of the mechanical seal 110 Decide in which direction the air should flow, ie radially inward or outward and the grooves 186 in the second rotatable ring 146 install accordingly, so that the desired air flow is generated. The grooves 186 of the 6 or the grooves 152 of the 4 could be used here, for example. When it comes to generating an air flow from radially inward to radially outward, the large cross sectional area of the grooves would have to be on the radially inner side of the ring 146 , taking into account the direction of rotation of the ring 146 to be ordered. The grooves 186 respectively. 152 then have to be radially in front of the outer circumference of the ring 146 leak, so that there is a radially outwardly arranged uninterrupted annular surface to achieve the static sealing function. The parts 145 and 146 belong together and turn with the wave. They are pressed by a spring system against the stationary first ring. Only the volume flow then lifts them apart.
Es
ist nicht zwingend erforderlich, dass der Gleitkopf 145 einen
zweiten Ring 146 umfassen muss. Stattdessen könnte es
sich bei dem Gleitkopf 145 um eine Ringfläche eines
Gehäuses
oder der Motorwelle handeln, die die Funktion eines Ringes wie 144 oder 146 aufweist.
Dennoch ist es vermutlich einfacher, in allen Fällen zwei Ringe vorzusehen,
da diese außerhalb
des Gehäuses
fein bearbeitet werden können.
Man merkt, dass die Gleitköpfe
bei den Ausführungen
gemäß 5 bis 9 je eine Einheit darstellen, die aus
mehreren aneinander unverlierbar gehaltenen Teilen besteht.It is not mandatory that the sliding head 145 a second ring 146 must include. Instead, it could be at the slider head 145 act around a ring surface of a housing or the motor shaft, which has the function of a ring like 144 or 146 having. Nevertheless, it is probably easier to provide two rings in all cases, since they can be finely machined outside the housing. One notices that the sliding heads in the embodiments according to 5 to 9 each represent a unit consisting of several parts held captive to each other.