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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse mit mindestens einem Folienlager, das mindestens eine Folie umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kompressor für ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Gehäuse.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, welche mehrere Brennstoffzellen aufweist, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen. 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.
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Ein derartiger Kompressor umfasst eine Lagereinheit, welche insbesondere ein Luftlager sowie eine in dem Luftlager drehbar gelagerte Welle umfasst. Die drehbar gelagerte Welle rotiert im Betrieb des Kompressors mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl, die in der Größenordnung von einhunderttausend Drehungen pro Minute liegt.
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Stand der Technik
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Aus dem amerikanischen Patent
US 5,915,841 ist ein Fluidfilmradiallager bekannt, das eine Hülse mit einer inneren Bohrung umfasst, in welcher eine Welle rotiert, wobei das Lager mehrere nachgiebige Folien und Folienstützfedern umfasst, welche in der inneren Bohrung angeordnet sind und die rotierende Welle umgeben. Aus dem amerikanischen Patent
US 5,427,455 ist ein Radiallager bekannt, welches eine Einsatzbuchse mit einer Öffnung umfasst, in welcher ein Rotor rotiert, wobei das Radiallager ein Federfolienglied und ein Fluidfolienglied aufweist, die innerhalb der Öffnung angeordnet sind, wobei die Einsatzbuchse eine nicht kreisförmige innere Kontur aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Einsatzmöglichkeiten für ein Folienlager, das mindestens eine Folie umfasst, zu vereinfachen.
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Die Aufgabe ist bei einem Gehäuse mit mindestens einem Folienlager, das mindestens eine Folie umfasst, dadurch gelöst, dass die Folie zur Darstellung des Folienlagers in einer Gehäuseausnehmung angeordnet ist. Die Folie ist im Unterschied zu herkömmlichen Folienlagern direkt und ohne Lagerhülse oder Lagerkartusche in der Gehäuseausnehmung angeordnet. Das liefert den Vorteil, dass die Lagerhülse oder Lagerkartusche entfallen kann. Das Folienlager ist als Radiallager ausgeführt und wird auch als aerodynamisches Gleitlager bezeichnet. Zur Schmierung des aerodynamischen Gleitlagers wird ein gasförmiges Fluid, insbesondere Luft, verwendet. Daher wird das Folienlager oder aerodynamische Gleitlager auch als Luftlager bezeichnet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseausnehmung für das Folienlager die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. Die Gehäuseausnehmung für das Folienlager ist zum Beispiel als Bohrung in einem Gehäusekörper des Gehäuses ausgeführt. Die Gehäuseausnehmung kann die gleiche Gestalt wie der Innenraum einer herkömmlichen Lagerhülse oder Lagerkartusche aufweisen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseausnehmung für das Folienlager in einem Gehäusetopf vorgesehen ist. Der Gehäusetopf dient zum Beispiel zur Aufnahme eines rotierenden Maschinenelements, wie eines Rotors, insbesondere eines Verdichterrads.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseausnehmung für das Folienlager in einem Gehäusedeckel vorgesehen ist. Bei einer Anwendung in einem Brennstoffzellensystem umfasst das Gehäuse vorteilhaft zwei Folienlager. Eines der Folienlager ist dann vorteilhaft in dem Gehäusedeckel vorgesehen, während das zweite Folienlager vorteilhaft im Gehäusetopf vorgesehen ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseausnehmung für das Folienlager in einem Lagergehäusekörper vorgesehen ist, der eine Außenbegrenzung des Gehäuses darstellt. Der Lagergehäusekörper ist im Unterschied zu herkömmlichen Lagerhülsen oder Lagerkartuschen kein separates Bauteil, sondern stellt, vorzugsweise mit weiteren Gehäusekörpern, einen Bestandteil des Gehäuses dar. Das Gehäuse ist zum Beispiel modulartig aufgebaut und umfasst vorteilhaft zwei Gehäusekörper, die zur Anordnung von zwei Folienlagern in dem Gehäuse dienen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lagergehäusekörper als Lagerhülse ausgeführt ist, die einstückig mit einem Gehäusekörper des Gehäuses verbunden ist. Der Lagergehäusekörper kann so oder so ähnlich wie eine herkömmliche Lagerhülse oder Lagerkartusche ausgeführt sein. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Lagerhülse oder Lagerkartusche ist der Lagergehäusekörper jedoch fester Bestandteil des Gehäuses. Der Gehäusekörper, der einstückig mit der Lagerhülse verbunden ist, kann eine beliebige Gestalt aufweisen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Folienlager eine Oberfolie und eine Unterfolie umfasst, die zwischen der Oberfolie und der Gehäuseausnehmung in dem Gehäuse angeordnet ist. Die Oberfolie wird auch als Top-Foil bezeichnet. Innerhalb der Oberfolie ist eine mit dem Folienlager zu lagernde Welle angeordnet. Die Unterfolie wird auch als Beam- oder Bump-Folie bezeichnet. Die Unterfolie ist vorteilhaft mit einer Federeinrichtung kombiniert. Die Federeinrichtung ist vorteilhaft in die Unterfolie integriert, zum Beispiel in Form einer Vielzahl von Federlaschen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseausnehmung mindestens ein Geometriemerkmal umfasst, das zur Fixierung der Folie dient. Bei dem Geometriemerkmal handelt es sich zum Beispiel um eine Vertiefung, in der ein Ende, insbesondere beide Enden oder Endabschnitte, der Folie, vorzugsweise von zwei Folien, fixiert ist beziehungsweise sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseausnehmung radial innen eine Axialnut aufweist, in die zwei Umfangsabschnitte der Folie eingreifen. Durch die Axialnut wird die Folie vorteilhaft in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung in der Gehäuseausnehmung fixiert. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse des Folienlagers. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Axialnut einander in Umfangsrichtung gegenüberliegende Nutflanken aufweist, an der sich die zwei Umfangsendabschnitte der Folie abstützen. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine stabile Abstützung der Folie in der Gehäuseausnehmung ermöglicht. Darüber hinaus wird die Montage der Folie in die Gehäuseausnehmung vereinfacht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Axialnut einen trapezförmigen Nutquerschnitt aufweist, der sich radial nach innen erweitert. Die Schrägstellung der gegenüberliegenden Nutflanken der Axialnut ist vorteilhaft so gewählt, dass die Umfangsendabschnitte der Folie im montierten Zustand nicht aus der Axialnut herausrutschen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsendabschnitte der Folie formschlüssig miteinander verbunden sind. Der Formschluss ist vorteilhaft so ausgeführt, dass die Umfangsendabschnitte der Folie im eingebauten Zustand in axialer Richtung relativ zueinander fixiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der Umfangsendabschnitte eine Stecklasche aufweist, die in eine Steckausnehmung an dem anderen Umfangsendabschnitt eingreift. Dadurch wird zum einen die axiale Fixierung der Umfangsendabschnitte in der Axialnut ermöglicht. Darüber hinaus wird die Montage der Folie mit den zusammengesteckten Umfangsendabschnitten in die Gehäuseausnehmung erheblich vereinfacht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stecklasche und die Steckausnehmung die Gestalt eines Rechtecks ausweisen. Die Stecklasche und die Steckausnehmung können auf einfache Art und Weise, zum Beispiel durch Stanzen, in der Folie erzeugt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stecklasche und die Steckausnehmung die Gestalt eines Trapezes aufweisen. Die Gestalten der Trapeze sind vorteilhaft gegensinnig ausgerichtet. Das bedeutet, dass eine zum Ende hin kürzer werdende Stecklasche mit einer zum Ende hin kürzer werdenden Steckausnehmung kombiniert ist, und umgekehrt.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Montieren mindestens einer Folie in einer Gehäuseausnehmung eines vorab beschriebenen Gehäuses. Die Folie kann vorteilhaft mit einer Montagehilfsvorrichtung, die einen Außendurchmesser hat, der kleiner als ein Innendurchmesser der Gehäuseausnehmung ist, gehalten, in die Gehäuseausnehmung eingeführt und in axialer Richtung positioniert, bevor die Montagehilfsvorrichtung aus der Gehäuseausnehmung mit der positionierten Folie entfernt wird. Dadurch wird die Montage der Folie, insbesondere von zwei Folien, in die Gehäuseausnehmung erheblich vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch eine Montagehilfsvorrichtung zum Montieren mindestens einer Folie in eine vorab beschriebenen Gehäuseausnehmung gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren. Die Montagehilfsvorrichtung ist separat handelbar.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kompressor für ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen Gehäuse. Der Kompressor umfasst eine Kompressorwelle, die vorzugsweise mit Hilfe von zwei Folienlagern gelagert ist, die in Gehäuseausnehmungen eines vorab beschriebenen Gehäuses angeordnet sind, und zwar ohne herkömmliche Lagerhülsen oder Lagerkartuschen.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Gehäuses. Die Gehäuseausnehmungen können in dem Gehäuse fertigungstechnisch relativ einfach realisiert werden. Das Gleiche gilt für die Axialnut in der Gehäuseausnehmung. Eine Nutgeometrie der Axialnut kann beispielweise durch Räumen, unrund Schleifen oder Fräsen in der Gehäuseausnehmung realisiert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses mit einem Folienlager, das zwei Folien umfasst, die zur Darstellung des Folienlagers in einer Gehäuseausnehmung des Gehäuses angeordnet sind;
- 2 einen Gehäusekörper eines Gehäuses mit einem Lagergehäusekörper, der zur Aufnahme eines Folienlagers dient und einstückig mit dem Gehäusekörper des Gehäuses verbunden ist, im Längsschnitt;
- 3 einen Kompressor eines Brennstoffzellensystems mit einer Welle;
- 4 ein Gehäuse des Kompressors aus 3 mit der durch zwei Folienlager gelagerten Welle im Halbschnitt; und
- 5 einen ähnlichen Gehäusekörper wie in 2 im Längsschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Gehäuse 1 mit einem Gehäusekörper 2 perspektivisch dargestellt. Das Gehäuse 1 umfasst des Weiteren einen Lagergehäusekörper 3, der einstückig mit dem Gehäusekörper 2 des Gehäuses 1 verbunden ist. Der Lagergehäusekörper 3 umfasst eine Gehäuseausnehmung 4, welche die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist.
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In der Gehäuseausnehmung 4 des Lagergehäusekörpers 3 sind zwei Folien 5, 6 angeordnet, die zur Darstellung eines Folienlagers 15 direkt in dem Gehäuse 1 dienen. Die Folie 5 wird auch als Beam-, Bump- oder Unterfolie bezeichnet und ist zwischen dem Lagergehäusekörper 3 und der Folie 6 angeordnet, die auch als Top-Folie oder Oberfolie bezeichnet wird.
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Der Lagergehäusekörper 3 weist radial innen in der Gehäuseausnehmung 4 eine Vertiefung 8 auf, die als Axialnut 10 ausgeführt ist. Die Axialnut 10 hat eine Geometrie, die geeignet ist, die Folien 5, 6 in der Gehäuseausnehmung 4 zu fixieren.
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Die Oberfolie 6 begrenzt in der Gehäuseausnehmung 4 des Folienlagers 15 einen Innenraum 7, der zur drehbaren Lagerung einer in 1 nicht dargestellten Welle dient. Die Welle gehört zum Beispiel zu einem Rotor einer Strömungsmaschine.
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Die Strömungsmaschine ist zum Beispiel Teil einer Luftversorgungseinheit in einem Brennstoffzellensystem. In dem Brennstoffzellensystem ist die Strömungsmaschine zum Beispiel als Verdichter oder Kompressor ausgeführt, wie er in 3 dargestellt ist. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad, das vorteilhaft Bestandteil des Rotors ist.
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Die Axialnut 10 hat einen trapezförmigen Querschnitt mit einer Basis, von der zwei Nutflanken 11, 12 ausgehen. Eine Nutweite oder Nutbreite der Axialnut 10 erweitert sich aufgrund des trapezförmigen Querschnitts der Axialnut 10 radial nach innen.
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Anders als dargestellt, kann die Axialnut 10 auch einen rechteckigen Querschnitt oder einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, der sich radial nach innen verengt.
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Die Unterfolie 5 und die Oberfolie 6 weisen jeweils zwei einander zugewandte Umfangsendabschnitte 13, 14 auf. Die Umfangsendabschnitte 13, 14 der Folien 5, 6 sind als Stecklaschen und als Steckausnehmungen ausgeführt und an den Nutflanken 11, 12 der Axialnut 10 abgestützt. Die Axialnut 11 ist relativ einfach und kostengünstig, zum Beispiel durch einen Räumprozess, in dem Lagergehäusekörper 3 des Gehäuses 1 herstellbar.
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In 2 ist ein Gehäusekörper 20 im Längsschnitt dargestellt. Der Gehäusekörper 20 umfasst einen Gehäusetopf 21, der einstückig mit einem Lagergehäusekörper 22 verbunden ist. Der Lagergehäusekörper 22 umfasst eine Gehäuseausnehmung 26, in der eine Axialnut 23 vorgesehen ist. Die Gehäuseausnehmung 26 mit der Axialnut 23 dient zur Aufnahme von mindestens einer Folie, insbesondere einer Unterfolie und einer Oberfolie, um ein Folienlager darzustellen.
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In 3 ist ein Kompressor 30 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Kompressor 30 umfasst ein Gehäuse 31, in welchem eine Welle 32, beispielsweise eine Kompressorwelle 32, drehbar gelagert ist. Über den Kompressor 30 wird zum Beispiel Luft in einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems gefördert.
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In dem in 4 gezeigten Halbschnitt durch das Gehäuse 31 des Kompressors 30 aus 3 sieht man, dass die Welle 32 mit Hilfe von zwei Luftlagern 33, 34 in dem Gehäuse 31 drehbar gelagert ist. Die Folienlager 33, 34, die auch als Luftlager bezeichnet werden, umfassen jeweils zwei Folien 39; 40. Die Folien 39; 40 der Folienlager 33, 34 sind unmittelbar in Gehäuseausnehmungen 41, 42 des Gehäuses 31 angeordnet.
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Die Gehäuseausnehmung 41 ist in einem Lagergehäusekörper 37 vorgesehen, der einstückig mit einem Gehäusedeckel 36 des Gehäuses 31 verbunden ist. Die Gehäuseausnehmung 42 ist in einem Lagergehäusekörper 38 vorgesehen, der einstückig mit einem Gehäusetopf 35 verbunden ist. Der Gehäusetopf 35 und der Gehäusedeckel 36 stellen zusammen mit den Lagergehäusekörpern 37, 38 das Gehäuse31 des Kompressors 30 dar.
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In 5 ist ein Gehäusekörper 50 im Längsschnitt dargestellt. Der Gehäusekörper 50 ist einstückig mit einem Lagergehäusekörper 51 verbunden, der eine Gehäuseausnehmung 52 für ein Folienlager umfasst. Die Gehäuseausnehmung 52 hat die Gestalt eines geraden Kreiszylinders und ist mit einer Axialnut 54 ausgestattet.
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Der Gehäusekörper 50 stellt eine Außenbegrenzung 53 für ein Gehäuse zum Beispiel eines Kompressors dar. In dem Gehäusekörper 50 ist ein radial verlaufendes Durchgangsloch 55 vorgesehen, durch das, wie durch einen Pfeil 56 angedeutet ist, Luft zum Betrieb des Folienlagers in der Gehäuseausnehmung 52 zugeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5915841 [0004]
- US 5427455 [0004]
