CN112567142A - 空气轴承、轴承单元和压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气轴承(32)，尤其用于压缩机(28)的轴承单元(30)，包括外环(10)，该外环包围用于接收轴(13)的中心开口(22)，布置在所述开口(22)中可弹性变形的弹簧膜(11)，和布置在所述开口(22)中的上膜(12)，其中，所述弹簧膜(11)布置在所述外环(10)和所述上膜(12)之间。弹簧膜(11)具有一体构造的基体(34)，并且弹簧膜(11)具有带有第一弹簧刚度的第一材料区域(81)和带有第二弹簧刚度的第二材料区域(82)，其中，每个所述第一材料区域(81)在所述开口(22)的圆周方向(U)上与每个所述第二材料区域(82)错开地布置，并且其中，所述第一弹簧刚度大于所述第二弹簧刚度。本发明还涉及一种轴承单元(30)，其包括根据本发明的空气轴承(32)以及可旋转地支承在空气轴承(32)的开口(22)中的轴(13)，以及涉及一种压缩机，尤其用于燃料电池系统，所述压缩机包括根据本发明的轴承单元(30)。

Description

空气轴承、轴承单元和压缩机
技术领域
本发明涉及一种空气轴承、尤其是用于压缩机的轴承单元的空气轴承，该空气轴承包括外环，所述外环包围用于接收轴的中心开口，包括布置在开口中的可弹性变形的弹簧膜和布置在开口中的上膜，其中，弹簧膜布置在外环和上膜之间。本发明还涉及一种轴承单元，该轴承单元包括根据本发明的空气轴承和可旋转地支承在空气轴承的开口中的轴，以及涉及尤其是用于燃料电池系统的压缩机，所述压缩机包括根据本发明的轴承单元。
背景技术
燃料电池是将连续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能并在此提供电压的原电池。因此，燃料电池是电化学的能量转换器。在已知的燃料电池中，尤其是氢(H2)和氧(O2)被转化成水(H2O)、电能和热。为了提高电压，可以将多个燃料电池合并为一个燃料电池单元并且电串联。
燃料电池系统包括具有多个燃料电池的燃料电池单元，所述燃料电池具有阳极和阴极。作为燃料的氢存储在压缩气体存储器中并且被供应给阳极。优选地，含有作为氧化剂的氧的空气通过电驱动的压缩机或压缩器被供应给阴极。
在此，此类压缩机包括轴承单元，该轴承单元尤其具有空气轴承以及可旋转地支承在空气轴承中的轴。在压缩机运行时，轴以例如20000转/分钟的相对较高的转速旋转。
由EP 2 600 007 A2已知一种机动车系统装置，其具有燃料电池组件和压缩机。将空气输送至燃料电池组件的压缩机包括空气轴承，该空气轴承在低转速时作为空气静力轴承运行而在高转速时作为空气动力轴承运行。
在US 5,915,841 A中公开一种流体膜径向轴承。流体膜径向轴承包括具有内孔的套筒，轴在该内孔中旋转。此外，轴承还包括多个可伸缩膜和膜支撑弹簧，它们布置在内孔中并且包围旋转的轴。
由US 5,427,455 A已知一种径向轴承，该径向轴承包括带有开口的插入套筒，转子在该插入套筒中旋转。径向轴承具有布置在所述开口内的弹簧膜元件和流体膜元件。在此，插入套筒中的开口具有非圆形的内轮廓。
发明内容
本发明提出一种空气轴承，尤其是用于压缩机的轴承单元的空气轴承。空气轴承包括外环，该外环包围用于接收轴的中心开口。在压缩机运行时，在空气轴承的开口中的轴相对于外环以相对较高的转速，例如在每分钟20000转至120000转之间旋转。
此外，空气轴承还包括布置在开口中的可弹性变形的弹簧膜。空气轴承还包括布置在开口中的上膜。在此，弹簧膜布置在外环和上膜之间。在压缩机运行时，在上膜和在开口中旋转的轴之间存在支承空气间隙。因此，外环、弹簧膜和上膜彼此同轴地布置。
根据本发明，弹簧膜具有一体构造的基体。在此，弹簧膜的基体近似空心柱形地构造，但不强制性地旋转对称地构造。在此，弹簧膜的基体的壁厚与开口的直径相比较小。
弹簧膜具有带有第一弹簧刚度的第一材料区域。弹簧膜也具有带有第二弹簧刚度的第二材料区域。在此，每个第一材料区域在开口的圆周方向上与每个第二材料区域错开地布置。
第一材料区域的第一弹簧刚度大于第二材料区域的第二弹簧刚度。在该相关性中，弹簧刚度是弹簧力与偏移的比，弹簧膜的基体以所述弹簧力尤其朝向外环运动离开，弹簧膜的基体在此经受所述偏移。
根据本发明的一个有利构型，外环中的开口圆柱形地并且相对于中心轴线旋转对称地构型。弹簧刚度尤其是弹簧力与沿径向方向的偏移的比，弹簧膜的基体以所述弹簧力沿径向方向远离中心轴线运动，弹簧膜的基体在此经受所述偏移。
如已经提及的那样，弹簧膜的基体不强制性地旋转对称。尤其，弹簧膜的基体可以在开口的圆周方向上具有与开口中心轴线的不同间距的区域。弹簧膜的基体也不包括分别仅在开口周边的角度范围内延伸的多个子部分。然而，弹簧膜的基体可以具有多个近似空心柱形的子部分，它们在轴向方向上彼此错开地布置在开口中。
根据本发明的一个有利构型，在开口的圆周方向上设置有支承区域和通风区域。在此，弹簧膜的基体与开口中心轴线的间距在支承区域中比在通风区域中更小。通风区域尤其用于在运行中向空气轴承供给以所需的空气。
在此，具有较高的第一弹簧刚度的所述第一材料区域布置在支承区域中。具有较小的第二弹簧刚度的所述第二材料区域布置在通风区域中。
根据本发明的一个可能构型，第一材料区域包括压槽(Sicken)。在此，所述压槽从弹簧膜的基体压出。优选地，压槽与基体一体地构造。
根据本发明的另一可能构型，第二材料区域包括收缩部位。在所述收缩部位中，基体的壁厚减小。因此，基体的壁厚在第二材料区域的收缩部位中比在基体的其它部位中更小。
优选地，上膜可以在开口内沿径向方向移动。因此，在开口中旋转的轴偏移时，上膜仅不明显地变形，但沿径向方向移动。随后，弹簧膜弹性变形。如已经提及的那样，有利地在开口的圆周方向上设置有支承区域和通风区域。在此，上膜相对于开口中心轴线的间距在支承区域中比在通风区域中更小。
根据本发明的一个优选构型，在弹簧膜的基体上安装有至少一个可弹性变形的弹簧元件。在此，可弹性变形的弹簧元件从弹簧膜的基体离开地伸出并且贴靠在外环上。
优选地，所述弹簧元件与基体一体地构造。弹簧元件例如可以通过弹簧膜的基体材料的弯曲，例如弯曲45°至75°产生。然而，弹簧元件也可以切向地从弹簧膜的基体突出。
还提出一种尤其用于压缩机的轴承单元。在此，该轴承单元包括根据本发明的空气轴承以及可旋转地支承在空气轴承的开口中的轴。
还提出了一种尤其用于燃料电池系统的压缩机。在此，该压缩机包括根据本发明的轴承单元。
本发明能够在空气轴承中实现弹簧膜的刚度沿着开口周边的最优分布，轴在所述开口中旋转。由此，轴可以有利地稳定并且稳健地被导向以及支承。弹簧膜刚度的所述最优分布可以借助本发明相对简单且成本低地实现，例如通过相应的材料区域的冲压、成型或轧制。通过所述的加工过程可以有针对性地影响弹簧膜在每个材料区域中的刚度。本发明也能够有利地实现制造包括根据本发明的空气轴承和在其中旋转的轴的轴承单元，以及制造尤其用于燃料电池系统的压缩机，该压缩机包括根据本发明的轴承单元。在此，轴可以在根据本发明的空气轴承中以相对较高的转速至少近似无磨损地旋转。
附图说明
根据附图和下面的说明详细地阐述本发明的实施方式：
附图示出了：
图1轴承单元的剖视图，
图2图1的弹簧膜的第一材料区域的放大图，
图3图1的弹簧膜的第二材料区域的放大图，和
图4燃料电池系统的示意图。
在本发明的实施方式的以下说明中，相同或相似的元件以相同的附图标记标明，其中，在个别情况下省去对这些元件的重复说明。附图仅示意性地示出本发明的内容。
具体实施方式
图1示出轴承单元30的剖视图，该轴承单元包括空气轴承32和相对于空气轴承32可旋转的轴13。在此，轴13当前圆柱形地构型。轴承单元30例如用于使用在燃料电池系统70的压缩机28中。
空气轴承32包括外环10，该外环包围中心开口22。该开口22用于接收轴13。开口22当前圆柱形地构型并且相对于中心轴线M旋转对称。开口22也可以具有与圆形不同的横截面。在这里所示的示图中，截平面垂直于中心轴线M延伸。
沿着中心轴线M的方向称为轴向方向。垂直于中心轴线M并且从中心轴线M朝向外环10延伸的方向称为径向方向R。围绕开口22的中心轴线M的方向称为圆周方向U。轴向方向、径向方向R和圆周方向U构成圆柱坐标系。
在开口22的圆周方向U上交替地设置有轴承区域15和通风区域16。通风区域16用于在运行中向空气轴承32供给以所需的空气。当前设置有三个支承区域15，所述三个支承区域以120°彼此错开地布置。当前也设置有三个通风区域16，所述三个通风区域以120°彼此错开地布置。支承区域15相对于各相邻的通风区域16分别错开约60°地布置。
轴承单元30的空气轴承32包括可弹性变形的弹簧膜11和可在开口22内沿径向方向R移动的上膜12。在此，弹簧膜11和上膜12在开口22内布置在轴13和外环10之间。弹簧膜11布置在外环10和上膜12之间。因此，轴13同轴地被上膜12、弹簧膜11和外环10包围。
在此，弹簧膜11和上膜12在通风区域16中比在支承区域15中进一步与中轴轴线M间隔开。在轴承单元30运行时，旋转的轴13被承载空气间隙18包围。承载空气间隙18在通风区域16中比在支承区域15中更宽。承载空气间隙18位于旋转的轴13与静止的上膜12之间。上膜12与开口22的中心轴线M的间距在支承区域15中比在通风区域16中更小。
弹簧膜11具有空心柱形的基体34，该基体当前不旋转对称地构造。弹簧膜11的基体34在开口22的圆周方向U上环绕地一体式构造。基体34与中心轴线M的间距在支承区域15中比在通风区域16中更小。
弹簧膜11具有带有第一弹簧刚度的第一材料区域81和带有第二弹簧刚度的第二材料区域82。在此，第一材料区域81布置在支承区域15中，并且第二材料区82布置在通风区域16中。因此，当前设置三个第一材料区域81，所述第一材料区域在开口22的圆周方向U上彼此错开120°地布置。也设置三个第二材料区域82，所述第二材料区域同样在开口22的圆周方向U上彼此错开120°地布置。第一材料区域81与各相邻的第二材料区域82分别错开约60°地布置。
在此，第一材料区域81的第一弹簧刚度大于第二材料区域82的第二弹簧刚度。在轴承单元30的运行中，包围旋转的轴13的承载空气间隙18具有空气刚度。承载空气间隙18的空气刚度与轴13的转速有关。在轴13的额定转速例如在20000U/min至120000U/min之间的范围内时，承载空气间隙18的空气刚度大于第一材料区域81的弹簧刚度并且大于第二材料区域82的第二弹簧刚度。
在弹簧膜11的基体34上，当前也安装有可弹性变形的弹簧元件14。弹簧元件14从基体34伸出并且贴靠在外环10上。弹簧元件14当前与基体34一体式地构造。弹簧膜11的所述弹性元件14当前布置在通风区域16中以及支承区域15中。
在运行中，轴13绕着旋转轴线D旋转。在一个最优的状况下，旋转轴线D与开口22的中心轴线M对齐。然而，在轴承单元30运行时，即当轴13在空气轴承32中旋转时，轴13可能具有相对于开口22的中心轴线M的偏心距E。该偏心距E引起轴13的不圆的运转。
图2示出图1的弹簧膜11的第一材料区域81之一的放大图，该第一材料区域具有提高的第一弹簧刚度。第一材料区81包括多个压槽91，这些压槽沿轴向方向彼此错开地布置。在图1中所示的弹簧元件14沿轴向方向相对于在此示出的压槽91错开地布置并且在此未示出。
所述压槽91由弹簧膜11的基体34形成并且因此与基体34一体地构造。
图3示出图1中的弹簧膜11的第二材料区域82的放大图，该第二材料区域具有减小的第二弹簧刚度。第二材料区域82包括多个收缩部位92，这些收缩部位沿轴向方向彼此错开地布置。在图1中示出的弹簧元件14沿轴向方向与在此示出的收缩部位92错开地布置并且在此未示出。
在收缩部位92处，弹簧膜11的基体34具有第一材料厚度d1。在其它部位处，弹簧膜11的基体34具有第二材料厚度d2。第二材料厚度d2大于第一材料厚度dl。因此，基体34的壁厚在收缩部位92中相对于基体34的其它部位减小。
图4示出燃料电池系统70的示意图。燃料电池系统70包括燃料电池单元75，该燃料电池单元具有多个在此未明确示出的燃料电池。燃料电池单元75具有阳极73和阴极74。单个燃料电池分别具有负极，这些负极共同形成燃料电池单元75的阳极73。单个燃料电池分别具有正电极，这些正电极共同形成燃料电池单元75的阴极74。
燃料电池单元75具有负端子71，该负端子与阳极73电连接。同样地，燃料电池单元75具有正端子72，该正端子与阴极74电连接。在燃料电池系统70运行时，在燃料电池单元75的负端子71和正端子72之间存在电压。燃料电池单元75的负端子71和正端子72例如与机动车、尤其是电动车的在此未示出的车载电路连接。
燃料电池系统70包括用于向阳极73供应燃料、尤其是氢气的第一供应管线56。为此，第一供应管线56与压力气体存储器36连接，在压力气体存储器中存储有在例如350bar至700bar压力下的氢。在燃料电池系统70运行时，氢沿第一流动方向51从压力气体存储器36流至燃料电池单元75的阳极73。燃料电池系统70也包括用于从燃料电池单元75的阳极73导出多余燃料的第一导出管线57。
此外，燃料电池系统70还包括用于向阴极74供应氧化剂、尤其是具有氧的空气的第二供应管线66。为此，第二供应管线66与压缩机28连接。压缩机28通过空气过滤器40吸入空气、压缩所吸入的空气并将该压缩的空气沿第二流动方向61引导至燃料电池单元75的阴极74。燃料电池系统70还包括用于从阴极74导出多余的氧化剂的第二导出管线67。该第二导出管线67也用于导出通过电化学反应在燃料电池单元75的燃料电池中形成的产物水。
压缩机28包括具有圆柱形轴13的轴承单元30，该圆柱形轴借助空气轴承32可旋转地支承。在此，轴承单元30如在图1中结合图2和图3所示的那样构造。压缩机28这样地构型，使得在正常运行中，在例如20000U/min至120000U/min之间的转速下，能够实现压缩机28的轴承单元30和空气轴承32的空气动力运行。
本发明不局限于在此说明的实施例和在此突出的方面。而是，在由权利要求给定的范围内可以实现多个变型方案，这些变型方案在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (10)

1.一种空气轴承(32)，尤其用于压缩机(28)的轴承单元(30)，所述空气轴承包括：
-外环(10)，所述外环包围用于接收轴(13)的中心开口(22)，
-布置在开口(22)中的能弹性变形的弹簧膜(11)，和
-布置在所述开口(22)中的上膜(12)，其中，所述弹簧膜(11)布置在所述外环(10)和所述上膜(12)之间，
其特征在于，
所述弹簧膜(11)具有一体构造的基体(34)，并且
所述弹簧膜(11)具有：
具有第一弹簧刚度的第一材料区域(81)，和
具有第二弹簧刚度的第二材料区域(82)，
其中，
每个所述第一材料区域(81)在所述开口(22)的圆周方向(U)上与每个所述第二材料区域(82)错开地布置，并且其中，
所述第一弹簧刚度大于所述第二弹簧刚度。
2.根据权利要求1所述的空气轴承(32)，其特征在于，所述开口(22)相对于中心轴线(M)圆柱形地并且旋转对称地构型。
3.根据权利要求2所述的空气轴承(32)，其特征在于，在所述开口(22)的圆周方向(U)上设置有支承区域(15)和通风区域(16)，其中，
所述基体(34)与所述中心轴线(M)的间距在所述支承区域(15)中小于在所述通风区域(16)中，并且
所述第一材料区域(81)布置在所述支承区域(15)中，并且
所述第二材料区域(82)布置在所述通风区域(16)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的空气轴承(32)，其特征在于，
所述第一材料区域(81)包括压槽(91)，所述压槽从所述基体(34)压出。
5.根据前述权利要求中任一项所述的空气轴承(32)，其特征在于，
所述第二材料区域(82)包括收缩部位(92)，在所述收缩部位中，所述基体(34)的壁厚减小。
6.根据前述权利要求中任一项所述的空气轴承(32)，其特征在于，
所述上膜(12)能够在所述开口(22)内沿径向方向(R)移动。
7.根据前述权利要求中任一项所述的空气轴承(32)，其特征在于，
在所述基体(34)上安装有至少一个能弹性变形的弹簧元件(14)，所述弹簧元件从所述基体(34)离开地伸出并且贴靠在所述外环(10)上。
8.根据权利要求5所述的空气轴承(32)，其特征在于，
所述弹簧元件(14)与所述基体(34)一体地构造。
9.一种轴承单元(30)，尤其用于压缩机(28)，所述轴承单元包括根据前述权利要求中任一项所述的空气轴承(32)以及能旋转地支承在所述空气轴承(32)的开口(22)中的轴(13)。
10.一种压缩机(28)，尤其用于燃料电池系统(70)，所述压缩机包括根据权利要求9所述的轴承单元(30)。
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