DE102018213700A1

DE102018213700A1 - Air bearing, storage unit and compressor

Info

Publication number: DE102018213700A1
Application number: DE102018213700.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Martin Katz; Felix Wiedmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2020-02-20
Also published as: WO2020035207A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftlager (32), insbesondere für eine Lagereinheit (30) eines Kompressors, umfassend einen Außenring (10), welcher eine zentrale Öffnung (22) zur Aufnahme einer Welle (13) umgibt, eine in der Öffnung (22) angeordnete Federfolie (11), welche elastisch verformbar ist und eine Federsteifigkeit aufweist, und eine in der Öffnung (22) angeordnete Oberfolie (12), wobei die Federfolie (11) zwischen dem Außenring (10) und der Oberfolie (12) angeordnet ist. Die Federfolie (11) weist einen hohlzylindrischen Grundkörper (34) auf, und die Federsteifigkeit der Federfolie (11) steigt in einer radialen Richtung (R) in Abhängigkeit von einem Abstand des Grundkörpers (34) zu einer Mittelachse (M) der Öffnung (22) an. Die Erfindung betrifft auch eine Lagereinheit (30), welche ein erfindungsgemäßes Luftlager (32) sowie eine Welle (13), welche in der Öffnung (22) des Luftlagers (32) drehbar gelagert ist, umfasst, sowie einen Kompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, welcher eine erfindungsgemäße Lagereinheit (30) umfasst.The invention relates to an air bearing (32), in particular for a bearing unit (30) of a compressor, comprising an outer ring (10) which surrounds a central opening (22) for receiving a shaft (13), one arranged in the opening (22) Spring film (11), which is elastically deformable and has spring stiffness, and an upper film (12) arranged in the opening (22), the spring film (11) being arranged between the outer ring (10) and the upper film (12). The spring foil (11) has a hollow cylindrical base body (34), and the spring stiffness of the spring foil (11) increases in a radial direction (R) depending on a distance of the base body (34) from a central axis (M) of the opening (22 ) on. The invention also relates to a bearing unit (30) which comprises an air bearing (32) according to the invention and a shaft (13) which is rotatably mounted in the opening (22) of the air bearing (32), and a compressor, in particular for a fuel cell system which comprises a bearing unit (30) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftlager, insbesondere für eine Lagereinheit eines Kompressors, das einen Außenring, welcher eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer Welle umgibt, eine in der Öffnung angeordnete Federfolie, welche elastisch verformbar ist und eine Federsteifigkeit aufweist, und eine in der Öffnung angeordnete Oberfolie umfasst, wobei die Federfolie zwischen dem Außenring und der Oberfolie angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Lagereinheit, welche ein erfindungsgemäßes Luftlager sowie eine Welle, welche in der Öffnung des Luftlagers drehbar gelagert ist, umfasst, sowie einen Kompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, welcher eine erfindungsgemäße Lagereinheit umfasst.The invention relates to an air bearing, in particular for a bearing unit of a compressor, which has an outer ring which surrounds a central opening for receiving a shaft, a spring film arranged in the opening, which is elastically deformable and has a spring stiffness, and an upper film arranged in the opening comprises, wherein the spring film is arranged between the outer ring and the upper film. The invention also relates to a bearing unit which comprises an air bearing according to the invention and a shaft which is rotatably mounted in the opening of the air bearing, and to a compressor, in particular for a fuel cell system, which comprises a bearing unit according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt und dabei eine Spannung bereit stellt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzelleneinheit zusammengefasst und elektrisch in Reihe geschaltet werden.A fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy and thereby provides a voltage. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells, in particular hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat. To increase the voltage, several fuel cells can be combined to form a fuel cell unit and electrically connected in series.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, welche mehrere Brennstoffzellen aufweist, mit einer Anode und einer Kathode. Wasserstoff als Brennstoff wird in einem Druckgasspeicher gespeichert und der Anode zugeführt. Luft, welche Sauerstoff als Oxidationsmittel enthält, wird der Kathode vorzugsweise durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor oder Verdichter zugeführt.A fuel cell system comprises a fuel cell unit, which has a plurality of fuel cells, with an anode and a cathode. Hydrogen as fuel is stored in a compressed gas storage and fed to the anode. Air, which contains oxygen as an oxidizing agent, is preferably fed to the cathode by an electrically driven compressor or compressor.

Ein gattungsgemäßer Kompressor umfasst dabei eine Lagereinheit, welche insbesondere ein Luftlager sowie eine in dem Luftlager drehbar gelagerte Welle aufweist. Die Welle rotiert im Betrieb des Kompressors mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl von beispielsweise 20.000 Umdrehungen pro Minute.A generic compressor comprises a bearing unit, which in particular has an air bearing and a shaft rotatably mounted in the air bearing. When the compressor is operating, the shaft rotates at a relatively high speed of, for example, 20,000 revolutions per minute.

Aus der EP 2 600 007 A2 ist eine Kraftfahrzeugsystemeinrichtung bekannt, welche ein Brennstoffzellenaggregat und einen Verdichter aufweist. Der Verdichter, welcher Luft zu dem Brennstoffzellenaggregat fördert, umfasst ein Luftlager, welches bei geringen Drehzahlen als aerostatisches Lager und bei hohen Drehzahlen als aerodynamisches Lager betrieben wird.From the EP 2 600 007 A2 A motor vehicle system device is known which has a fuel cell unit and a compressor. The compressor, which conveys air to the fuel cell assembly, comprises an air bearing, which is operated as an aerostatic bearing at low speeds and as an aerodynamic bearing at high speeds.

In der US 5,915,841 A ist ein Fluidfilm-Radiallager offenbart. Das Fluidfilm-Radiallager umfasst eine Hülse mit einer inneren Bohrung, in welcher eine Welle rotiert. Das Lager umfasst ferner mehrere nachgiebige Folien und Folienstützfedern, welche in der inneren Bohrung angeordnet sind und die rotierende Welle umgeben.In the US 5,915,841 A a fluid film radial bearing is disclosed. The fluid film radial bearing comprises a sleeve with an inner bore in which a shaft rotates. The bearing also includes a plurality of resilient foils and foil support springs, which are arranged in the inner bore and surround the rotating shaft.

Aus der US 5,427,455 A ist ein Radiallager bekannt, welches eine Einsatzbuchse mit einer Öffnung umfasst, in welcher ein Rotor rotiert. Das Radiallager weist ein Federfolienglied und eine Fluidfolienglied auf, welche innerhalb der Öffnung angeordnet sind. Die Öffnung in der Einsatzbuchse besitzt dabei eine nicht kreisförmige innere Kontur.From the US 5,427,455 A a radial bearing is known which comprises an insert bushing with an opening in which a rotor rotates. The radial bearing has a spring foil member and a fluid foil member, which are arranged within the opening. The opening in the insert bush has a non-circular inner contour.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Luftlager, insbesondere für eine Lagereinheit eines Kompressors, vorgeschlagen. Das Luftlager umfasst einen Außenring, welcher eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer Welle umgibt. Die Öffnung ist vorzugsweise kreiszylindrisch ausgestaltet. Im Betrieb des Kompressors rotiert die Welle in der Öffnung des Luftlagers relativ zu dem Außenring mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl von beispielsweise zwischen 20.000 und 120.000 Umdrehungen pro Minute.An air bearing, in particular for a bearing unit of a compressor, is proposed. The air bearing comprises an outer ring which surrounds a central opening for receiving a shaft. The opening is preferably circular cylindrical. During operation of the compressor, the shaft rotates in the opening of the air bearing relative to the outer ring at a relatively high speed of between 20,000 and 120,000 revolutions per minute, for example.

Das Luftlager umfasst ferner eine in der Öffnung angeordnete Federfolie, welche elastisch verformbar ist und eine Federsteifigkeit aufweist. Auch umfasst das Luftlager eine in der Öffnung angeordnete Oberfolie. Dabei ist die Federfolie zwischen dem Außenring und der Oberfolie angeordnet. Im Betrieb des Kompressors befindet sich ein Tragluftspalt zwischen der Oberfolie und der in der Öffnung rotierenden Welle. Der Außenring, die Federfolie und die Oberfolie sind also koaxial zueinander angeordnet.The air bearing further comprises a spring foil arranged in the opening, which is elastically deformable and has a spring stiffness. The air bearing also comprises an upper film arranged in the opening. The spring foil is arranged between the outer ring and the upper foil. When the compressor is in operation, there is an air gap between the top film and the shaft rotating in the opening. The outer ring, the spring foil and the top foil are thus arranged coaxially to one another.

Erfindungsgemäß weist die Federfolie einen Grundkörper auf. Der Grundkörper der Federfolie ist dabei vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet. Insbesondere ist der Grundkörper der Federfolie annähernd, aber nicht zwingend, rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine Wandstärke des Grundkörpers der Federfolie ist dabei verhältnismäßig klein im Vergleich zu einem Durchmesser der Öffnung.According to the invention, the spring foil has a base body. The base body of the spring film is preferably hollow cylindrical. In particular, the base body of the spring film is approximately, but not necessarily, rotationally symmetrical. A wall thickness of the base body of the spring film is relatively small compared to a diameter of the opening.

Die Federsteifigkeit der Federfolie in einer radialen Richtung steigt dabei in Abhängigkeit von einem Abstand des Grundkörpers der Federfolie zu einer Mittelachse der Öffnung an. In einem Bereich in Umfangsrichtung der Öffnung, in welchem der Abstand des Grundkörpers der Federfolie zu der Mittelachse der Öffnung gering ist, ist die Federsteifigkeit der Federfolie somit geringer, als in einem Bereich, in welchem der Abstand des Grundkörpers der Federfolie zu der Mittelachse größer ist. Die Federsteifigkeit der Federfolie wird dabei durch das Material ebenso wie durch die geometrische Ausgestaltung der Federfolie bestimmt. Die Federfolie kann neben dem Grundkörper weitere Elemente umfassen, auf welche noch eingegangen wird, und welche die Federsteifigkeit der Federfolie mit bestimmen.The spring stiffness of the spring film in a radial direction increases as a function of a distance between the base body of the spring film and a central axis of the opening. In a region in the circumferential direction of the opening in which the distance between the base body of the spring film and the central axis of the opening is small, the spring stiffness of the spring film is thus less than in a region in which the distance between the base body of the spring film and the central axis is greater , The spring stiffness of the spring foil is thereby Material as well as determined by the geometric design of the spring film. In addition to the base body, the spring foil can comprise further elements, which will be discussed further and which also determine the spring stiffness of the spring foil.

Die Federsteifigkeit der Federfolie ist in diesem Zusammenhang ein Verhältnis von einer Federkraft, mit welcher der Grundkörper der Federfolie in radialer Richtung von der Mittelachse weg bewegt wird, zu einer Auslenkung in radialer Richtung, welche der Grundkörper der Federfolie dabei erfährt. Die Federsteifigkeit der Federfolie, also das besagte Verhältnis von Federkraft zu Auslenkung, ist dabei insbesondere nicht konstant, wie bei einer linearen Feder. Die Federkraft ist also vorliegend nicht proportional zu der Auslenkung.In this context, the spring stiffness of the spring foil is a ratio of a spring force with which the base body of the spring foil is moved in the radial direction away from the central axis to a deflection in the radial direction which the base body of the spring foil experiences. The spring stiffness of the spring foil, that is to say the said ratio of spring force to deflection, is in particular not constant, as in the case of a linear spring. The spring force is therefore not proportional to the deflection in the present case.

Wenn der Grundkörper der Federfolie in einem Bereich in Umfangsrichtung der Öffnung, beispielsweise von der rotierenden Welle, in radialer Richtung auf den Außenring zu, also von der Mittelachse weg, ausgelenkt wird, so steigt die Federsteifigkeit der Federfolie in diesem Bereich an. Wo der Grundkörper der Federfolie einen kleineren Abstand zu der Mittelachse aufweist, ist die Federsteifigkeit der Federfolie geringer.If the base body of the spring foil is deflected in a region in the circumferential direction of the opening, for example from the rotating shaft, in the radial direction towards the outer ring, that is to say away from the central axis, the spring stiffness of the spring foil increases in this region. Where the base body of the spring film is at a smaller distance from the central axis, the spring stiffness of the spring film is lower.

Der Grundkörper der Federfolie ist, wie bereits erwähnt, nicht zwingend rotationssymmetrisch. Insbesondere kann der Grundkörper der Federfolie in Umfangsrichtung der Öffnung Bereiche aufweisen, welche unterschiedliche Abstände von der Mittelachse der Öffnung aufweisen. In diesem Fall weist die Federfolie in den besagten Bereichen auch unterschiedliche Federsteifigkeiten auf.As already mentioned, the base body of the spring foil is not necessarily rotationally symmetrical. In particular, the base body of the spring film can have regions in the circumferential direction of the opening which are at different distances from the central axis of the opening. In this case, the spring foil also has different spring stiffnesses in said areas.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Grundkörper der Federfolie in Umfangsrichtung der Öffnung umlaufend einstückig ausgebildet. Insbesondere umfasst der Grundkörper der Federfolie nicht mehrere Teilstücke, welche sich jeweils nur über einen Winkelbereich des Umfangs der Öffnung erstrecken. Der Grundkörper der Federfolie kann aber mehrere hohlzylindrische Teilstücke aufweisen, welche in axialer Richtung zueinander versetzt in der Öffnung angeordnet sind.According to an advantageous embodiment of the invention, the base body of the spring film is formed in one piece in the circumferential direction of the opening. In particular, the base body of the spring film does not comprise a plurality of sections, each of which only extends over an angular range of the circumference of the opening. The base body of the spring film can, however, have a plurality of hollow cylindrical sections, which are arranged in the opening in an offset manner in the axial direction.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Federfolie mindestens einen in radialer Richtung wirkenden Anschlag auf, welcher an dem Grundkörper der Federfolie angebracht ist, und welcher auf den Außenring zu ragt. Wenn der Anschlag an dem Außenring anliegt, so begrenzt der Anschlag eine Auslenkung des Grundkörpers der Federfolie in radialer Richtung. Wenn der Anschlag an dem Außenring anliegt, so wird die Federsteifigkeit der Federfolie annähernd unendlich groß.According to an advantageous development of the invention, the spring foil has at least one stop acting in the radial direction, which is attached to the base body of the spring foil and which projects onto the outer ring. If the stop rests on the outer ring, the stop limits a deflection of the base body of the spring film in the radial direction. If the stop rests on the outer ring, the spring stiffness of the spring foil becomes approximately infinite.

Vorzugsweise ist der besagte Anschlag der Federfolie einstückig mit dem Grundkörper der Federfolie ausgebildet. Der Anschlag kann beispielsweise durch Umbiegen von Material des Grundkörpers der Federfolie, vorzugsweise um 180°, erzeugt werden.Said stop of the spring film is preferably formed in one piece with the base body of the spring film. The stop can be generated, for example, by bending the material of the base body of the spring film, preferably by 180 °.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Federfolie mindestens ein elastisch verformbares Federelement auf, welches an dem Grundkörper der Federfolie angebracht ist. Das elastisch verformbare Federelement ragt dabei von dem Grundkörper der Federfolie weg und liegt an dem Außenring an. Die Federsteifigkeit der Federfolie wird insbesondere durch das Material ebenso wie durch die geometrische Ausgestaltung des elastisch verformbaren Federelements maßgeblich bestimmt.According to a preferred embodiment of the invention, the spring film has at least one elastically deformable spring element which is attached to the base body of the spring film. The elastically deformable spring element protrudes away from the base body of the spring foil and lies against the outer ring. The spring stiffness of the spring film is determined in particular by the material as well as by the geometric configuration of the elastically deformable spring element.

Vorzugsweise ist das besagte Federelement einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet. Das Federelement kann beispielsweise durch Umbiegen von Material des Grundkörpers der Federfolie, beispielsweise um 45° bis 75°, erzeugt werden.Said spring element is preferably formed in one piece with the base body. The spring element can be produced, for example, by bending the material of the base body of the spring film, for example by 45 ° to 75 °.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in Umfangsrichtung der Öffnung Lagerbereiche und Belüftungsbereiche vorgesehen. Dabei ist ein Abstand des Grundkörpers der Federfolie zu der Mittelachse der Öffnung in den Lagerbereichen geringer ist als in den Belüftungsbereichen. Die Belüftungsbereiche dienen insbesondere dazu, das Luftlager im Betrieb mit erforderlicher Luft zu versorgen.According to an advantageous embodiment of the invention, storage areas and ventilation areas are provided in the circumferential direction of the opening. The distance between the base body of the spring film and the central axis of the opening is less in the storage areas than in the ventilation areas. The ventilation areas are used in particular to supply the air bearing with the required air during operation.

Vorzugsweise ist die Oberfolie innerhalb der Öffnung in radialer Richtung verschiebbar. Bei einer Auslenkung der in der Öffnung rotierenden Welle wird somit die Oberfolie nur unwesentlich verformt, aber in radiale Richtung verschoben. Daraufhin wird die Federfolie elastisch verformt.The upper film is preferably displaceable in the radial direction within the opening. When the shaft rotating in the opening is deflected, the upper film is thus only slightly deformed, but is displaced in the radial direction. The spring foil is then elastically deformed.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind, wie bereits erwähnt, in Umfangsrichtung der Öffnung Lagerbereiche und Belüftungsbereiche vorgesehen Dabei ist ein Abstand der Oberfolie zu der Mittelachse der Öffnung in den Lagerbereichen geringer ist als in den Belüftungsbereichen.According to an advantageous embodiment of the invention, as already mentioned, storage areas and ventilation areas are provided in the circumferential direction of the opening. The distance between the upper film and the central axis of the opening in the storage areas is smaller than in the ventilation areas.

Es wird auch eine Lagereinheit, insbesondere für einen Kompressor, vorgeschlagen. Die Lagereinheit umfasst dabei ein erfindungsgemäßes Luftlager sowie eine Welle, welche in der Öffnung des Luftlagers drehbar gelagert ist.A storage unit, in particular for a compressor, is also proposed. The bearing unit comprises an air bearing according to the invention and a shaft which is rotatably mounted in the opening of the air bearing.

Es wird auch ein Kompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, vorgeschlagen. Der Kompressor umfasst dabei eine erfindungsgemäße Lagereinheit.A compressor, in particular for a fuel cell system, is also proposed. The compressor comprises a storage unit according to the invention.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die Erfindung ermöglicht bei einem Luftlager eine optimale Verteilung der Steifigkeit der Federfolie entlang des Umfangs der Öffnung, in welcher die Welle rotiert, bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere bei unterschiedlichen Drehzahlen der Welle. Dadurch kann die Welle vorteilhaft stabil und robust geführt sowie gelagert werden. Die besagte optimale Verteilung der Steifigkeit der Federfolie kann mittels der Erfindung verhältnismäßig einfach und kostengünstig erreicht werden, beispielsweise durch Herstellung der Federfolie mittels Stanzbiegens. Durch das Vorsehen von Anschlägen, welche in radiale Richtung nach außen wirken, wird ein Federweg der Federfolie begrenzt und die Federfolie dadurch geschützt. Die Erfindung ermöglicht auch vorteilhaft die Herstellung eine Lagereinheit, welche ein erfindungsgemäßes Luftlager sowie eine darin rotierende Welle umfasst, sowie die Herstellung eines Kompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, welcher eine erfindungsgemäße Lagereinheit umfasst. Die Welle kann dabei mit verhältnismäßig hoher Drehzahl zumindest annähernd verschleißfrei in dem erfindungsgemäßen Luftlager rotieren.In the case of an air bearing, the invention enables an optimal distribution of the rigidity of the spring film along the circumference of the opening in which the shaft rotates, under different operating conditions, in particular at different speeds of the shaft. As a result, the shaft can advantageously be guided and stored in a stable and robust manner. Said optimal distribution of the stiffness of the spring film can be achieved relatively simply and inexpensively by means of the invention, for example by producing the spring film by means of stamping bending. By providing stops which act in the radial direction outwards, a spring travel of the spring foil is limited and the spring foil is thereby protected. The invention also advantageously enables the production of a bearing unit which comprises an air bearing according to the invention and a shaft rotating therein, and the production of a compressor, in particular for a fuel cell system which comprises a bearing unit according to the invention. The shaft can rotate at a relatively high speed at least approximately without wear in the air bearing according to the invention.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung einer Lagereinheit,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs aus 1,
3 eine graphische Darstellung der Federsteifigkeit einer Federfolie und
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems.

Show it:

1 2 shows a sectional illustration of a storage unit,
2 an enlarged view of a portion 1 .
3 a graphic representation of the spring stiffness of a spring film and
4 a schematic representation of a fuel cell system.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Lagereinheit 30, welche ein Luftlager 32 und eine relativ zu dem Luftlager 32 drehbare Welle 13 umfasst. Die Welle 13 ist dabei vorliegend kreiszylindrisch ausgestaltet. Die Lagereinheit 30 dient beispielsweise zum Einsatz in einem Kompressor 28 für ein Brennstoffzellensystem 70. 1 shows a sectional view of a storage unit 30 which is an air bearing 32 and one relative to the air bearing 32 rotatable shaft 13 includes. The wave 13 is configured circular cylindrical in the present case. The storage unit 30 is used for example in a compressor 28 for a fuel cell system 70 ,

Das Luftlager 32 umfasst einen Außenring 10, welcher eine zentrale Öffnung 22 umgibt. Die Öffnung 22 dient zur Aufnahme der Welle 13. Die Öffnung 22 ist vorliegend kreiszylindrisch ausgestaltet und rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse M. Die Öffnung kann auch einen Querschnitt aufweisen, welcher von einer Kreisform abweicht. In der hier gezeigten Darstellung verläuft die Schnittebene rechtwinklig zu der Mittelachse M.The air bearing 32 includes an outer ring 10 which has a central opening 22 surrounds. The opening 22 serves to receive the shaft 13 , The opening 22 is circular cylindrical and rotationally symmetrical to a central axis M , The opening can also have a cross section that deviates from a circular shape. In the illustration shown here, the section plane is perpendicular to the central axis M ,

Eine Richtung entlang der Mittelachse M wird als Axialrichtung bezeichnet. Eine Richtung, welche rechtwinklig auf der Mittelachse M steht und von der Mittelachse M auf den Außenring 10 zuläuft, wird als radiale Richtung R bezeichnet. Eine Richtung welche um die Mittelachse M der Öffnung 22 umläuft, wird als Umfangsrichtung U bezeichnet. Die Axialrichtung, die radiale Richtung R und die Umfangsrichtung U bilden ein Zylinderkoordinatensystem.A direction along the central axis M is called the axial direction. A direction that is perpendicular to the central axis M stands and from the central axis M on the outer ring 10 approaches, is called the radial direction R designated. A direction which around the central axis M the opening 22 rotates is called the circumferential direction U designated. The axial direction, the radial direction R and the circumferential direction U form a cylindrical coordinate system.

In Umfangsrichtung U der Öffnung 22 sind abwechselnd Lagerbereiche 15 und Belüftungsbereiche 16 vorgesehen. Die Belüftungsbereiche 16 dienen dazu, das Luftlager 32 im Betrieb mit erforderlicher Luft zu versorgen. Vorliegend sind drei Lagerbereiche 15 vorgesehen, welche um 120° versetzt zueinander angeordnet sind. Vorliegend sind auch drei Belüftungsbereiche 16 vorgesehen, welche um 120° versetzt zueinander angeordnet sind. Die Lagerbereiche 15 sind zu den jeweils benachbarten Belüftungsbereichen 16 jeweils um etwa 60° versetzt angeordnet.In the circumferential direction U the opening 22 are alternating storage areas 15 and ventilation areas 16 intended. The ventilation areas 16 serve the air bearing 32 to supply the necessary air during operation. There are three storage areas 15 provided, which are arranged offset by 120 ° to each other. There are also three ventilation areas 16 provided, which are arranged offset by 120 ° to each other. The storage areas 15 are to the adjacent ventilation areas 16 each offset by about 60 °.

Das Luftlager 32 der Lagereinheit 30 umfasst eine Federfolie 11, welche elastisch verformbar ist, und eine Oberfolie 12, welche innerhalb der Öffnung 22 in radialer Richtung R verschiebbar ist. Die Federfolie 11 und die Oberfolie 12 sind dabei innerhalb der Öffnung 22 zwischen der Welle 13 und dem Außenring 10 angeordnet. In den Belüftungsbereichen 16 sind die Federfolie 11 und die Oberfolie 12 dabei weiter von der Mittelachse M beabstandet als in den Lagerbereichen 15. Im Betrieb der Lagereinheit 30 ist die rotierende Welle 13 von einem Tragluftspalt 18 umgeben. In den Belüftungsbereichen 16 ist der Tragluftspalt 18 breiter ist als in den Lagerbereichen 15.The air bearing 32 the storage unit 30 includes a spring film 11 , which is elastically deformable, and an upper film 12 which are inside the opening 22 in the radial direction R is movable. The feather film 11 and the top sheet 12 are inside the opening 22 between the wave 13 and the outer ring 10 arranged. In the ventilation areas 16 are the feather foil 11 and the top sheet 12 further from the central axis M spaced apart than in the storage areas 15 , In the operation of the storage unit 30 is the rotating shaft 13 from an air gap 18 surround. In the ventilation areas 16 is the air gap 18 is wider than in the storage areas 15 ,

Im Betrieb rotiert die Welle 13 um eine Drehachse D. In einer optimalen Konstellation fluchtet die Drehachse D mit der Mittelachse M der Öffnung 22. Im Betrieb der Lagereinheit 30, also wenn die Welle 13 in dem Luftlager 32 rotiert, kann die Welle 13 aber eine Exzentrizität E relativ zu der Mittelachse M der Öffnung 22 aufweisen. Diese Exzentrizität E bewirkt einen unrunden Lauf der Welle 13.The shaft rotates during operation 13 about an axis of rotation D , The axis of rotation is aligned in an optimal constellation D with the central axis M the opening 22 , In the operation of the storage unit 30 , so when the wave 13 in the air bearing 32 rotates, the shaft can 13 but an eccentricity e relative to the central axis M the opening 22 exhibit. This eccentricity e causes the shaft to run out of round 13 ,

2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs aus 1. Der dargestellte Teilbereich erstreckt sich im Umfangsrichtung U über etwa 120° und umfasst einen Lagerbereich 15 sowie einen Belüftungsbereich 16. Die Federfolie 11 ist zwischen dem Außenring 10 und der Oberfolie 12 angeordnet. Die Welle 13 ist also koaxial von der Oberfolie 12, der Federfolie 11 und dem Außenring 10 umgeben. 2 shows an enlarged view of a partial area 1 , The partial area shown extends in the circumferential direction U about about 120 ° and includes a storage area 15 as well as a ventilation area 16 , The feather film 11 is between the outer ring 10 and the top sheet 12 arranged. The wave 13 is therefore coaxial with the top film 12 , the feather foil 11 and the outer ring 10 surround.

Im Betrieb der Lagereinheit 30 befindet sich der Tragluftspalt 18 zwischen der rotierenden Welle 13 und der ruhenden Oberfolie 12. Ein Abstand der Oberfolie 12 zu der Mittelachse M der Öffnung ist in den Lagerbereichen 15 geringer ist als in den Belüftungsbereichen 16.In the operation of the storage unit 30 there is an air gap 18 between the rotating shaft 13 and the resting top film 12 , A space between the top film 12 to the central axis M the opening is in the storage areas 15 is less than in the ventilation areas 16 ,

Die Federfolie 11 weist einen hohlzylindrischen Grundkörper 34 auf, welcher vorliegend nicht kreiszylindrisch ausgebildet ist. Der Grundkörper 34 der Federfolie 11 ist in Umfangsrichtung U der Öffnung 22 umlaufend einstückig ausgebildet. Ein Abstand des Grundkörpers 34 zu der Mittelachse M ist in den Lagerbereichen 15 geringer als in den Belüftungsbereichen 16.The feather film 11 has a hollow cylindrical body 34 which is not circular cylindrical in the present case. The basic body 34 the spring foil 11 is in the circumferential direction U the opening 22 formed in one piece all around. A distance between the base body 34 to the central axis M is in the storage areas 15 less than in the ventilation areas 16 ,

An dem Grundkörper 34 der Federfolie 11 sind elastisch verformbare Federelemente 14 angebracht. Die Federelemente 14 ragen von dem Grundkörper 34 weg und liegen an dem Außenring 10 an. Die Federelemente 14 sind vorliegend einstückig mit dem Grundkörper 34 ausgebildet. Die besagten Federelemente 14 der Federfolie 11 sind vorliegend in den Belüftungsbereichen 16 angeordnet.On the base body 34 the spring foil 11 are elastically deformable spring elements 14 appropriate. The spring elements 14 protrude from the base body 34 away and lie on the outer ring 10 on. The spring elements 14 are in one piece with the base body 34 educated. The said spring elements 14 the spring foil 11 are present in the ventilation areas 16 arranged.

An dem Grundkörper 34 der Federfolie 11 sind auch in radialer Richtung R wirkende Anschläge 25 angebracht. Die Anschläge 25 ragen in radialer Richtung R auf den Außenring 10 zu. Es sind verschiedene Ausgestaltungen der Anschläge 25 denkbar, wobei in der hier gezeigten Darstellung drei mögliche Ausgestaltungen gezeigt sind. Die Anschläge 25 können einstückig mit dem Grundkörper 34 der Federfolie 11 ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Anschlag 25 durch Umbiegen von Material des Grundkörpers 34 um 180° erzeugt werden. Ebenso kann der Anschlag 25 durch eine Ausprägung aus dem Material des Grundkörpers 34 erzeugt werden. Alternativ kann der Anschlag 25 separat von dem Grundkörper 34 der Federfolie 11ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Anschlag 25 auf den Grundkörper 34 aufgeklebt oder aufgewalzt sein.On the base body 34 the spring foil 11 are also in the radial direction R acting stops 25 appropriate. The attacks 25 protrude in the radial direction R on the outer ring 10 to. There are different configurations of the stops 25 conceivable, three possible configurations being shown in the illustration shown here. The attacks 25 can be made in one piece with the basic body 34 the spring foil 11 be trained. For example, the stop 25 by bending the material of the base body 34 generated by 180 °. The stop can also be used 25 through an expression from the material of the base body 34 be generated. Alternatively, the stop 25 separately from the main body 34 of the spring film 11. For example, the stop 25 on the main body 34 glued or rolled on.

Die Federfolie 11 des Luftlagers 32 ist, wie bereits erwähnt, elastisch verformbar und weist eine Federsteifigkeit auf. Die Federsteifigkeit der Federfolie 11 in radialer Richtung R ist dabei nicht konstant sondern steigt in Abhängigkeit von einem Abstand des Grundkörpers 34 der Federfolie 11 zu der Mittelachse M der Öffnung 22 an.The feather film 11 of the air bearing 32 is, as already mentioned, elastically deformable and has a spring stiffness. The spring stiffness of the spring foil 11 in the radial direction R is not constant but increases depending on a distance between the base body 34 the spring foil 11 to the central axis M the opening 22 on.

3 zeigt eine graphische Darstellung der Federsteifigkeit der Federfolie 11 in Form einer Kennlinie. Auf der X-Achse ist dabei der Abstand des Grundkörpers 34 der Federfolie 11 zu der Mittelachse M der Öffnung 22 in radialer Richtung R aufgetragen. Auf der Y-Achse ist eine Steifigkeit K aufgetragen. 3 shows a graphic representation of the spring stiffness of the spring film 11 in the form of a characteristic curve. The distance of the base body is on the X axis 34 the spring foil 11 to the central axis M the opening 22 in the radial direction R applied. A stiffness K is plotted on the Y axis.

Wie aus der graphischen Darstellung anhand der Kennlinie ersichtlich ist, steigt die Federsteifigkeit der Federfolie 11 in der radialen Richtung R in Abhängigkeit von dem Abstand des Grundkörpers 34 der Federfolie 11 zu der Mittelachse M der Öffnung 22 an. Die Kennlinie der Federsteifigkeit der Federfolie 11 weist beispielsweise mehrere, vorliegend vier, Steifigkeitsbereiche S1, S2, S3, S4 auf, in welchen die Kennlinie unterschiedliche Steigungen besitzt.As can be seen from the graph using the characteristic curve, the spring stiffness of the spring foil increases 11 in the radial direction R depending on the distance of the base body 34 the spring foil 11 to the central axis M the opening 22 on. The characteristic curve of the spring stiffness of the spring foil 11 has, for example, several, in the present case four, stiffness ranges S1 . S2 . S3 . S4 in which the characteristic curve has different slopes.

In einem ersten Steifigkeitsbereich S1, welcher einem geringen Abstand des Grundkörpers 34 zu der Mittelachse M zugeordnet ist, ist die Steigung der Kennlinie relativ gering, und zumindest annähernd linear. In einem zweiten Steifigkeitsbereich S2, welcher einem größeren Abstand des Grundkörpers 34 zu der Mittelachse M zugeordnet ist, ist die Steigung der Kennlinie größer, und zumindest annähernd linear. In einem dritten Steifigkeitsbereich S3, welcher einem noch größeren Abstand des Grundkörpers 34 zu der Mittelachse M zugeordnet ist, ist die Steigung der Kennlinie noch größer, und vorzugsweise progressiv.In a first range of stiffness S1 , which is a short distance from the main body 34 to the central axis M is assigned, the slope of the characteristic curve is relatively small and at least approximately linear. In a second stiffness range S2 , which is a larger distance from the main body 34 to the central axis M is assigned, the slope of the characteristic curve is greater and at least approximately linear. In a third range of stiffness S3 , which has an even greater distance between the base body 34 to the central axis M is assigned, the slope of the characteristic curve is even greater, and preferably progressive.

In einem vierten Steifigkeitsbereich S4, welcher einem maximalen Abstand des Grundkörpers 34 zu der Mittelachse M zugeordnet ist, ist die Steigung der Kennlinie unendlich groß. Die Kennlinie verläuft in dem vierten Steifigkeitsbereich S4 parallel zu der Y-Achse. Der vierte Steifigkeitsbereich S4 stellt die Federsteifigkeit der Federfolie 11 in einen Bereich dar, in welchem ein Anschlag 25 an dem Außenring 10 anliegt, wodurch eine weitere Verformung der Federfolie 11 nicht möglich ist.In a fourth stiffness range S4 , which is a maximum distance of the base body 34 to the central axis M is assigned, the slope of the characteristic curve is infinitely large. The characteristic curve runs in the fourth stiffness range S4 parallel to the y-axis. The fourth stiffness range S4 provides the spring stiffness of the spring foil 11 in an area where a stop 25 on the outer ring 10 abuts, causing further deformation of the spring film 11 not possible.

Zum Vergleich ist noch eine Luftsteifigkeit KL des Tragluftspalts 18 bei einer Nenndrehzahl der Welle 13 eingezeichnet. Die Nenndrehzahl der Welle 13 liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 20.000 U/min und 120.000 U/min. Aus dem Diagramm ist erkennbar, dass die Luftsteifigkeit KL des Tragluftspalts 18 bei der Nenndrehzahl der Welle 13 größer ist als die Federsteifigkeit der Federfolie 11 in dem ersten Steifigkeitsbereich S1 und in dem zweiten Steifigkeitsbereich S2.For comparison, there is still an air stiffness KL of the air gap 18 at a nominal shaft speed 13 located. The nominal speed of the shaft 13 is, for example, in a range between 20,000 rpm and 120,000 rpm. From the diagram it can be seen that the air stiffness KL of the air gap 18 at the nominal speed of the shaft 13 is greater than the spring stiffness of the spring film 11 in the first stiffness range S1 and in the second stiffness range S2 ,

Die Luftsteifigkeit KL des Tragluftspalts 18 bei der Nenndrehzahl der Welle 13 schneidet die Kennlinie der Federsteifigkeit der Federfolie 11 in dem dritten Steifigkeitsbereich S3. In diesem besagten Schnittpunkt ist die Luftsteifigkeit KL des Tragluftspalts 18 dann genau so groß wie die Federsteifigkeit der Federfolie 11 in radialer Richtung.The air stiffness KL of the air gap 18 at the nominal speed of the shaft 13 intersects the characteristic curve of the spring stiffness of the spring foil 11 in the third range of stiffness S3 , At this intersection, the air stiffness is KL of the air gap 18 then just as large as the spring stiffness of the spring foil 11 in the radial direction.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 70. Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 75, welche mehrere, hier nicht explizit dargestellte Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzelleneinheit 75 weist eine Anode 73 und eine Kathode 74 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils negative Elektroden auf, welche gemeinsam die Anode 73 der Brennstoffzelleneinheit 75 bilden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils positive Elektroden auf, welche gemeinsam die Kathode 74 der Brennstoffzelleneinheit 75 bilden. 4 shows a schematic representation of a fuel cell system 70 , The The fuel cell system 70 comprises a fuel cell unit 75 , which has several fuel cells, not explicitly shown here. The fuel cell unit 75 has an anode 73 and a cathode 74 on. The individual fuel cells each have negative electrodes, which together form the anode 73 the fuel cell unit 75 form. The individual fuel cells each have positive electrodes, which together form the cathode 74 the fuel cell unit 75 form.

Die Brennstoffzelleneinheit 75 weist ein negatives Terminal 71 auf, welches elektrisch mit der Anode 73 verbunden ist. Ebenso weist die Brennstoffzelleneinheit 75 ein positives Terminal 72 auf, welches elektrisch mit der Kathode 74 verbunden ist. Zwischen dem negativen Terminal 71 und dem positiven Terminal 72 der Brennstoffzelleneinheit 75 liegt im Betrieb des Brennstoffzellensystems 70 eine elektrische Spannung an. Das negative Terminal 71 und das positive Terminal 72 der Brennstoffzelleneinheit 75 sind beispielsweise mit einem hier nicht dargestellten Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, verbunden.The fuel cell unit 75 has a negative terminal 71 on which is electrically connected to the anode 73 connected is. The fuel cell unit also has 75 a positive terminal 72 on which is electrically connected to the cathode 74 connected is. Between the negative terminal 71 and the positive terminal 72 the fuel cell unit 75 is in the operation of the fuel cell system 70 an electrical voltage. The negative terminal 71 and the positive terminal 72 the fuel cell unit 75 are connected, for example, to an on-board electrical system, not shown here, of a motor vehicle, in particular an electric vehicle.

Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst eine erste Zufuhrleitung 56 zur Zuführung eines Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, zu der Anode 73. Dazu ist die erste Zufuhrleitung 56 mit einem Druckgasspeicher 36 verbunden, in welchem Wasserstoff bei einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert ist. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 70 fließt Wasserstoff in eine erste Strömungsrichtung 51 von dem Druckgasspeicher 36 zu der Anode 73 der Brennstoffzelleneinheit 75. Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst auch eine erste Abfuhrleitung 57 zur Abführung von überschüssigem Brennstoff von der Anode 73 der Brennstoffzelleneinheit 75.The fuel cell system 70 comprises a first supply line 56 for supplying a fuel, in particular hydrogen, to the anode 73 , This is the first supply line 56 with a compressed gas storage 36 connected in which hydrogen is stored at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. In the operation of the fuel cell system 70 hydrogen flows in a first flow direction 51 from the compressed gas storage 36 to the anode 73 the fuel cell unit 75 , The fuel cell system 70 also includes a first discharge line 57 to remove excess fuel from the anode 73 the fuel cell unit 75 ,

Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst ferner eine zweite Zufuhrleitung 66 zur Zuführung eines Oxidationsmittels, insbesondere Luft mit Sauerstoff, zu der Kathode 74. Dazu ist die zweite Zufuhrleitung 66 mit einem Kompressor 28 verbunden. Der Kompressor 28 saugt Luft über einen Luftfilter 40 an, komprimiert die angesaugte Luft und führt die komprimierte Luft in einer zweiten Strömungsrichtung 61 zu der Kathode 74 der Brennstoffzelleneinheit 75. Das Brennstoffzellensystem 70 umfasst auch eine zweite Abfuhrleitung 67 zur Abführung von überschüssigem Oxidationsmittel von der Kathode 74. Die zweite Abfuhrleitung 67 dient auch zur Abführung von Produktwasser, welches durch die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 75 entsteht.The fuel cell system 70 further comprises a second supply line 66 for supplying an oxidizing agent, in particular air with oxygen, to the cathode 74 , This is the second supply line 66 with a compressor 28 connected. The compressor 28 sucks air through an air filter 40 on, compresses the intake air and guides the compressed air in a second flow direction 61 to the cathode 74 the fuel cell unit 75 , The fuel cell system 70 also includes a second discharge line 67 for removing excess oxidizing agent from the cathode 74 , The second discharge line 67 also serves to drain product water, which is caused by the electrochemical reaction in the fuel cells of the fuel cell unit 75 arises.

Der Kompressor 28 umfasst eine Lagereinheit 30 mit einer zylindrische Welle 13, welche mittels eines Luftlagers 32 drehbar gelagert ist. Die Lagereinheit 30 ist dabei ausgebildet wie in 1 und 2 dargestellt. Der Kompressor 28 ist derart ausgelegt, dass in einem Normalbetrieb, bei einer Drehzahl, beispielsweise zwischen 20.000 U/min und 120.000 U/min, ein aerodynamischer Betrieb der Lagereinheit 30 und des Luftlagers 32 des Kompressors 28 möglich ist.The compressor 28 includes a storage unit 30 with a cylindrical shaft 13 which by means of an air bearing 32 is rotatably mounted. The storage unit 30 is trained as in 1 and 2 shown. The compressor 28 is designed in such a way that in normal operation, at a speed, for example between 20,000 rpm and 120,000 rpm, the bearing unit is operated aerodynamically 30 and the air bearing 32 of the compressor 28 is possible.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which lie within the framework of professional action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 2600007 A2 [0005]
US 5915841 A [0006]
US 5427455 A [0007]

Claims

Air bearing (32), in particular for a bearing unit (30) of a compressor (28), comprising an outer ring (10) which surrounds a central opening (22) for receiving a shaft (13), a spring foil arranged in the opening (22) (11), which is elastically deformable and has a spring stiffness, and an upper film (12) arranged in the opening (22), the spring film (11) being arranged between the outer ring (10) and the upper film (12), characterized that the spring foil (11) has a base body (34) and that the spring stiffness of the spring foil (11) in a radial direction (R) as a function of a distance between the base body (34) and a central axis (M) of the opening (22 ) increases.

Air bearing (32) after Claim 1 , characterized in that the base body (34) of the spring foil (11) is formed in one piece in the circumferential direction (U) of the opening (22).

Air bearing (32) according to any one of the preceding claims, characterized in that the spring foil (11) has at least one stop (25) acting in the radial direction (R), which is attached to the base body (34) and which on the outer ring ( 10) protrudes.

Air bearing (32) after Claim 3 , characterized in that the stop (25) is integrally formed with the base body (34).

Air bearing (32) according to one of the preceding claims, characterized in that the spring film (11) has at least one elastically deformable spring element (14) which is attached to the base body (34) and which projects away from the base body (34) and abuts the outer ring (10).

Air bearing (32) after Claim 5 , characterized in that the spring element (14) is integrally formed with the base body (34).

Air bearing (32) according to one of the preceding claims, characterized in that bearing areas (15) and ventilation areas (16) are provided in the circumferential direction (U) of the opening (22), a distance between the base body (34) and the central axis (M) in the storage areas (15) is less than in the ventilation areas (16).

Air bearing (32) according to one of the preceding claims, characterized in that the upper film (12) can be displaced in the radial direction (R) within the opening (22).

Air bearing (32) according to one of the preceding claims, characterized in that bearing areas (15) and ventilation areas (16) are provided in the circumferential direction (U) of the opening (22), with a distance between the top film (12) and the central axis (M) in the storage areas (15) is less than in the ventilation areas (16).

Bearing unit (30), in particular for a compressor (28), comprising an air bearing (32) according to one of the preceding claims and a shaft (13) which is rotatably mounted in the opening (22) of the air bearing (32).

Compressor (28), in particular for a fuel cell system (70), comprising a bearing unit (30) Claim 10 ,