DE102018213696A1

DE102018213696A1 - Air bearing, storage unit and compressor

Info

Publication number: DE102018213696A1
Application number: DE102018213696.3A
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: WO2020035210A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftlager (32), insbesondere für eine Lagereinheit (30) eines Kompressors (28), 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 in der Öffnung (22) angeordnete Oberfolie (12), wobei die Federfolie (11) zwischen dem Außenring (10) und der Oberfolie (12) angeordnet ist.Die Öffnung (22) weist eine unrunde Form auf.The invention relates to an 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), one in the opening ( 22) arranged spring film (11), which is elastically deformable, 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) (22) has a non-circular shape.

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 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 comprises an outer ring which surrounds a central opening for receiving a shaft, a spring film arranged in the opening, which is elastically deformable, and an upper film arranged in the opening, the Spring film is arranged between the outer ring and the top 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 bereitstellt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) 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 (02) 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 US2018051745A ist ein Luftlager als Radiallager offenbart. Das Luftlager umfasst einen Außenring mit einer Öffnung, in welcher eine Welle rotiert. Das Lager umfasst ferner eine Federfolie und eine Oberfolie, welche zwischen dem Außenring und der Welle angeordnet sind.In the US2018051745A an air bearing is disclosed as a radial bearing. The air bearing comprises an outer ring with an opening in which a shaft rotates. The bearing further comprises a spring film and an upper film, which are arranged between the outer ring and the shaft.

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. 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. Erfindungsgemäß weist die Öffnung dabei im Querschnitt eine unrunde Form auf. Bevorzugt wird somit also eine zylindrische Welle in einer nichtzylindrischen Öffnung gelagert.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. 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. According to the invention, the opening has a non-circular shape in cross section. A cylindrical shaft is thus preferably supported in a non-cylindrical opening.

Das Luftlager umfasst ferner eine in der Öffnung angeordnete Federfolie, welche elastisch verformbar ist. 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. 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.

Durch die unrunde bzw. nichtzylindrische Form der Öffnung bilden sich auch die Federfolie und mit ihr die Oberfolie in einer nichtrunden Form ab. Dadurch weist die Oberfolie Bereiche auf, welche vorteilhafterweise unterschiedliche Abstände von der Mittelachse der Öffnung aufweisen. So ergeben sich in Umfangsrichtung der Öffnung Lagerbereiche und Belüftungsbereiche in dem Tragluftspalt. Dabei ist ein Abstand der Oberfolie zu der Mittelachse der Öffnung in den Lagerbereichen kleiner als in den Belüftungsbereichen; der Tragluftspalt ist in den Lagerbereichen also dünner als in den Belüftungsbereichen. Die Belüftungsbereiche dienen insbesondere dazu, das Luftlager im Betrieb mit erforderlicher Luft zu versorgen. Besonders bevorzugt weist das Luftlager je drei Lagerbereiche und Belüftungsbereiche auf.Due to the non-circular or non-cylindrical shape of the opening, the spring foil and with it the upper foil also form in a non-round shape. As a result, the upper film has areas which advantageously have different distances from the central axis of the opening. This results in storage areas and ventilation areas in the air gap in the circumferential direction of the opening. The distance between the top film and the central axis of the opening is smaller in the storage areas than in the ventilation areas; the air gap is therefore thinner 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. The air bearing particularly preferably has three storage areas and ventilation areas.

Bevorzugt wird die unrunde Öffnung dabei durch ein zylindrisches Bohren gefertigt, wobei der Außenring bewusst unsymmetrisch eingespannt ist, so dass er eine relevante elastische unsymmetrische Verformung erfährt; unsymmetrisch soll hier als nicht rotationssymmetrisch verstanden sein. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Luftlagers weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:

- Unsymmetrisches Einspannen des Außenrings in eine Werkstückaufnahme.
- Zylindrisches Bohren der Öffnung im eingespannten Zustand des Außenrings.
- Lösen der Einspannung.

The non-circular opening is preferably produced by cylindrical drilling, the outer ring being deliberately clamped asymmetrically so that it undergoes a relevant elastic asymmetrical deformation; asymmetrical should be understood here as not rotationally symmetrical. An advantageous method for producing an air bearing has the following process steps:

- Asymmetrical clamping of the outer ring in a workpiece holder.
- Cylindrical drilling of the opening in the clamped state of the outer ring.
- release the clamping.

Der Außenring wird also unsymmetrisch eingespannt bzw. in eine unrunde Werkstückaufnahme gespannt, deren Kontur der Kontur der späteren Öffnung angepasst ist. In diesem eingespannten Zustand ist der Außenring also deutlich elastisch verformt, und die Öffnung wird in dem elastisch verformten Zustand zylindrisch in den Außenring gebohrt. Nach dem Bohren wird der Außenring aus der Werkstückaufnahme genommen und durch die elastische Rückfederung findet der Außenring, genauer die Öffnung, von der kreisrunden in die unrunde Form, die für das Luftlager notwendig ist. Federfolie und Oberfolie gleichen sich während der Montage bzw. während des Betriebs des Luftlagers der unrunden Form der Öffnung an.The outer ring is thus clamped asymmetrically or clamped in a non-circular workpiece holder, the contour of which is adapted to the contour of the subsequent opening. In this clamped state, the outer ring is thus significantly elastically deformed, and the opening is drilled cylindrically in the outer ring in the elastically deformed state. After drilling, the outer ring is removed from the workpiece holder and the elastic spring-back means that the outer ring, or more precisely the opening, changes from the circular to the non-circular shape that is necessary for the air bearing. The spring film and the top film adapt to the non-circular shape of the opening during assembly or during operation of the air bearing.

In vorteilhaften Ausführungen ist die Öffnung des Außenrings in Form eines Bogendreiecks ausgestaltet. Die unrunde Form weist also drei Bögen auf. Demzufolge ergeben sich über den Umfang auch drei Lagerbereiche und drei Belüftungsbereiche für den Tragluftspalt zwischen Oberfolie und Welle, was für den dynamischen Betrieb des Luftlagers besonders günstig ist.In advantageous embodiments, the opening of the outer ring is designed in the form of an arc triangle. The non-circular shape therefore has three arches. Accordingly, there are also three storage areas and three ventilation areas for the air gap between the upper film and the shaft, which is particularly favorable for the dynamic operation of the air bearing.

Generell ist es von Vorteil, wenn in Umfangsrichtung der Öffnung Lagerbereiche und Belüftungsbereiche vorgesehen sind. Ein Abstand der Oberfolie zu der Mittelachse der Öffnung ist dabei naturgemäß in den Lagerbereichen kleiner als in den Belüftungsbereichen. Die Belüftungsbereiche dienen insbesondere dazu, das Luftlager im Betrieb mit erforderlicher Luft zu versorgen. Besonders bevorzugt weist das Luftlager je drei Lagerbereiche und Belüftungsbereiche auf.In general, it is advantageous if storage areas and ventilation areas are provided in the circumferential direction of the opening. The distance between the top film and the central axis of the opening is naturally smaller 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. The air bearing particularly preferably has three storage areas and ventilation areas.

Vorzugsweise ist die Oberfolie innerhalb der Öffnung in radialer Richtung verschiebbar, und zwar in Abhängigkeit der Steifigkeit der Federfolie. Bei einer Auslenkung der in der Öffnung rotierenden Welle wird somit die Oberfolie nur unwesentlich verformt, aber in radialer Richtung verschoben. Daraufhin wird die Federfolie elastisch verformt. Wie bereits erwähnt, sind vorteilhaft in Umfangsrichtung der Öffnung Lagerbereiche und Belüftungsbereiche vorgesehen. Dabei ist ein Abstand der Oberfolie zu der Mittelachse der Öffnung in den Lagerbereichen geringer als in den Belüftungsbereichen.The upper film can preferably be displaced in the radial direction within the opening, depending on the rigidity of the spring film. 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. As already mentioned, storage areas and ventilation areas are advantageously provided in the circumferential direction of the opening. The distance between the top film and the central axis of the opening is smaller in the storage areas than in the ventilation areas.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind an der Federfolie elastisch verformbare Federelemente angebracht. Die elastisch verformbaren Federelemente ragen dabei von der Federfolie weg und liegen an dem Außenring an. Vorteilhafterweise legen sich die Federelemente dabei genau entsprechend der unrunden Form der Öffnung an den Außenring an, so dass die Steifigkeit der Federfolie analog zu dieser unrunden Form gestaltet ist. Bevorzugt ist dabei die Steifigkeit der Federfolie im Betrieb geringer als die Steifigkeit des Tragluftspalts zwischen Welle und Oberfolie.According to a preferred embodiment of the invention, elastically deformable spring elements are attached to the spring foil. The elastically deformable spring elements protrude from the spring foil and rest on the outer ring. Advantageously, the spring elements lie precisely on the outer ring in accordance with the non-circular shape of the opening, so that the rigidity of the spring film is designed analogously to this non-circular shape. The stiffness of the spring foil during operation is preferably less than the stiffness of the air gap between the shaft and the top foil.

Es wird auch eine Lagereinheit, insbesondere für einen Kompressor, vorgeschlagen. Die Lagereinheit umfasst dabei ein erfindungsgemäßes Luftlager wie vorangehend beschrieben 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 as described above 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 ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung ermöglicht bei einem Luftlager eine optimale Gestaltung von Lagerbereichen und Belüftungsbereichen und weiterhin eine optimale Verteilung der Steifigkeit der Federfolie entlang des Umfangs der unrunden Öffnung, in welcher die Welle rotiert. Dadurch kann die Welle, selbst bei Drehzahlen von über 100.000 pro Minute, vorteilhaft stabil und robust geführt sowie gelagert werden. Die besagte optimale Gestaltung von Lager- und Belüftungsbereichen sowie die daran angepasste Verteilung der Steifigkeit der Federfolie kann mittels der Erfindung verhältnismäßig einfach und kostengünstig erreicht werden, beispielsweise durch zylindrisches Bohren in einer unsymmetrischen Werkstückaufnahme. Dadurch ergeben sich auf einfache Art und Weise Lager- und Belüftungsbereiche in dem Tragluftspalt, und die Steifigkeit der Federfolie wirkt entsprechend erst in unterschiedlichen radialen Abständen zur Mittelachse. Die Erfindung ermöglicht auch vorteilhaft die Herstellung eines Luftlagers bzw. einer Lagereinheit, welche ein erfindungsgemäßes Luftlager sowie eine darin rotierende Welle umfasst, sowie die Herstellung eines Kompressors, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, welcher eine erfindungsgemäße Lagereinheit umfasst. Die Welle kann dabei mit verhältnismäßig hohen Drehzahlen zumindest annähernd verschleißfrei in dem erfindungsgemäßen Luftlager rotieren.In the case of an air bearing, the invention enables an optimal design of storage areas and ventilation areas and, furthermore, an optimal distribution of the rigidity of the spring foil along the circumference of the non-circular opening in which the shaft rotates. As a result, the shaft can be guided and stored in an advantageously stable and robust manner, even at speeds of over 100,000 per minute. Said optimal design of storage and ventilation areas and the distribution of the stiffness of the spring foil adapted to it can be achieved relatively easily and inexpensively by means of the invention, for example by cylindrical drilling in an asymmetrical workpiece holder. This results in a simple manner in the storage and ventilation areas in the air gap, and the rigidity of the spring film accordingly only acts at different radial distances from the central axis. The invention also advantageously enables the production of an air bearing or 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 least approximately wear-free in the air bearing according to the invention at relatively high speeds.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind;
2 einen Ausschnitt einer abgewickelten Federfolie, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind;
3 eine Schnittdarstellung einer weiteren Lagereinheit, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind;
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Show it:

1 a sectional view of a storage unit, wherein only the essential areas are shown;
2 a section of a developed spring film, only the essential areas are shown;
3 a sectional view of another storage unit, only the essential areas are shown;
4 is a schematic representation of a fuel cell system, only the essential areas are shown.

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 erfindungsgemäß nicht kreiszylindrisch ausgestaltet, sondern beispielsweise in der Art eines Bogenpolygons zu einer Mittelachse M; bevorzugt ist das Bogenpolygon dabei ein Bogendreieck. 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 not configured according to the invention as a circular cylinder, but rather, for example, in the manner of an arc polygon with respect to a central axis M ; the arc polygon is preferably an arc triangle. 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 around the central axis M of 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, in der bevorzugten Ausführung der 1 jeweils drei Lagerbereiche 15 und Belüftungsbereiche 16. Die Belüftungsbereiche 16 dienen dazu, das Luftlager 32 im Betrieb mit erforderlicher Luft zu versorgen. Bevorzugt sind drei Lagerbereiche 15 vorgesehen, welche um 120° versetzt zueinander angeordnet sind. Bevorzugt sind damit 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 provided in the preferred embodiment of the 1 three storage areas each 15 and ventilation areas 16 , The ventilation areas 16 serve the air bearing 32 to supply the necessary air during operation. Three storage areas are preferred 15 provided, which are arranged offset by 120 ° to each other. Three ventilation areas are therefore also preferred 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. 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.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. 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.

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 als in den Lagerbereichen 15. Der Tragluftspalt 18 befindet sich zwischen der rotierenden Welle 13 und der ruhenden Oberfolie 12. Ein Abstand der Oberfolie 12 zu der Mittelachse M der Öffnung 22 ist in den Lagerbereichen 15 geringer als in den Belüftungsbereichen 16, wobei dies maßstäblich nicht derart ausgeprägt sein muss wie in der 1 dargestellt.In the ventilation areas 16 are the feather foil 11 and the top sheet 12 spaced further from the central axis M 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 wider than in the storage areas 15 , The air gap 18 is located 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 22 is in the storage areas 15 less than in the ventilation areas 16 , whereby this does not have to be as pronounced as in the 1 shown.

Die Federfolie 11 weist im montierten Zustand ebenfalls eine nichtzylindrische Form auf, da sie sich an den nichtzylindrischen Außenring 10 anlegt. In der Darstellung der 1 ist die Federfolie 11 sehr einfach ausgeführt; es gibt jedoch noch weitere Ausführungen, beispielsweise mit Federelementen, wie sie in der 2 gezeigt sind.The feather film 11 also has a non-cylindrical shape in the assembled state, since it adjoins the non-cylindrical outer ring 10 invests. In the representation of the 1 is the feather foil 11 very simple; However, there are other versions, for example with spring elements, as in the 2 are shown.

Der Abstand der Federfolie 11 zu der Mittelachse M ist in den Lagerbereichen 15 geringer als in den Belüftungsbereichen 16, analog zu dem Außenring 10; gleiches gilt für die Oberfolie 12.The distance of the spring foil 11 to the central axis M is in the storage areas 15 less than in the ventilation areas 16 , analogous to the outer ring 10 ; the same applies to the top film 12 ,

Im Betrieb der Lagereinheit 30 weist der Tragluftspalt 18, der die rotierende Welle 13 umgibt, eine Luftsteifigkeit auf. Die Luftsteifigkeit des Tragluftspalts 18 ist von einer Drehzahl der Welle 13 abhängig. Bei einer Nenndrehzahl der Welle 13, welche beispielsweise in einem Bereich zwischen 20.000 U/min und 120.000 U/min liegt, ist die Luftsteifigkeit des Tragluftspalts 18 vorteilhafterweise größer als die Steifigkeiten von Federfolie 11 und Oberfolie 12.In the operation of the storage unit 30 shows the air gap 18 that the rotating shaft 13 surrounds an air stiffness. The air stiffness of the air gap 18 is from a speed of the shaft 13 dependent. At a nominal shaft speed 13 The air stiffness of the air gap is, for example, in a range between 20,000 rpm and 120,000 rpm 18 advantageously greater than the stiffness of spring foil 11 and top film 12 ,

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, welchen das Luftlager 32 jedoch idealerweise ausgleichen bzw. aufnehmen kann.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 of the opening 22 exhibit. This eccentricity E causes the shaft to run out of round 13 which the air bearing 32 ideally, however, can balance or absorb.

2 zeigt einen Ausschnitt einer abgewickelten Federfolie 11 mit einer Lagerlänge L in der Draufsicht, wie sie vorteilhaft für ein erfindungsgemäßes Luftlager 32 verwendet werden kann. Die Abwicklung ist in Umfangsrichtung U dargestellt. Die abgewickelte Federfolie 11 zeigt einen Grundkörper 34, welcher viele U-förmige Ausnehmungen 80 bzw. Ausstanzungen aufweist. Durch die Ausnehmungen 80 entstehen verformbare Federelemente 14 in einer Art Laschenform. 2 shows a section of a developed spring film 11 with a stock length L in plan view, as it is advantageous for an air bearing according to the invention 32 can be used. The settlement is in the circumferential direction U shown. The unwound feather film 11 shows a basic body 34 which has many U-shaped recesses 80 or punched out. Through the recesses 80 deformable spring elements are created 14 in a kind of tab shape.

Durch die Verwendung einer Federfolie 11, wie sie in 2 skizziert ist, ergibt sich für das Luftlager 32 eine Ausführung in 3 dargestellt. An dem Grundkörper 34 der Federfolie 11 sind die elastisch verformbaren 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 sowie in den Lagerbereichen 15 angeordnet. Durch die unrunde Öffnung 22 des Außenrings 10 stellt sich für Federfolie 11 und Oberfolie 12 eine analoge unrunde Form ein. Bevorzugt ist diese Form eine Art Bogendreieck gemäß 3.By using a spring film 11 as in 2 is sketched results for the air bearing 32 an execution in 3 shown. On the base body 34 the spring foil 11 are the 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 as well as in the storage areas 15 arranged. Through the non-circular opening 22 the outer ring 10 stands for feather foil 11 and top film 12 an analog non-circular shape. This shape is preferably a type of arch triangle 3 ,

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 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 29 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 29 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 den vorangehend beschriebenen Ausführungen 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 designed as shown in the previously described embodiments. 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.

Die erfindungsgemäßen Luftlager 32 sind kostengünstig herzustellen und insbesondere für den Einsatz in einem Kompressor 28 eines Brennstoffzellensystems 70 geeignet. Der Kern ist dabei die optimierte, unrunde Geometrie der Öffnung 22 des Außenrings 10. Vorteilhafterweise erfolgt deren Herstellung durch zylindrisches Bohren in einem unsymmetrisch eingespannten Rohteil. Dazu wird der Außenring 10 als Rohteil für die Bearbeitung zunächst bewusst unsymmetrisch in eine Spannvorrichtung eingespannt und dabei elastisch verformt. Die Öffnung 22 wird bevorzugt durch ein „übliches“ Bohrverfahren erzeugt, also im eingespannten Zustand zylindrisch gebohrt. Wird der Außenring 10 anschließend aus der Spannvorrichtung genommen, so federt die elastische Verformung zurück, und es ergibt sich die unrunde Form der Öffnung 22, wie in den 1 und 3 dargestellt, wobei die unrunde Darstellung in den Figuren nicht maßstäblich zu verstehen ist.The air bearing according to the invention 32 are inexpensive to manufacture and especially for use in a compressor 28 a fuel cell system 70 suitable. The core is the optimized, non-circular geometry of the opening 22 the outer ring 10 , They are advantageously produced by cylindrical drilling in an asymmetrically clamped blank. This is the outer ring 10 as a raw part for processing, initially deliberately asymmetrical in a clamping device clamped and deformed elastically. The opening 22 is preferably produced using a "usual" drilling method, that is, drilled cylindrically when clamped. Will the outer ring 10 then removed from the tensioning device, the elastic deformation springs back and the non-circular shape of the opening results 22 as in the 1 and 3 shown, the non-circular representation in the figures is not to be understood to scale.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 2600007 A2 [0005]
US 2018051745 A [0006]

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 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 in that the opening (22) has a non-circular shape.

Air bearing (32) after Claim 1 , characterized in that the opening (22) is designed in the form of an arc triangle.

Air bearing (32) after Claim 1 or 2 , 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 top film (12) and the central axis (M) of the opening (22) in the bearing areas ( 15) is smaller than in the ventilation areas (16).

Air bearing (32) according to one of the preceding claims, characterized in that the spring film (11) has elastically deformable spring elements (14) which bear against the outer ring (10).

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 5 ,

Method for producing an air bearing (32) according to one of the Claims 1 to 4 , characterized by the following process steps: - asymmetrical clamping of the outer ring (10) in a workpiece holder. - Cylindrical drilling of the opening (22) in the clamped state of the outer ring (10). - release the clamping.