DE102019215223A1 - Thrust gas bearings - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager (30) mit mindestens einem Gaslagerspalt (58,59), der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe (33) und einer Stützfläche (48,49) ausgebildet ist.Um das Axial-Gaslager (30) funktionell zu verbessern, ist die Stützfläche (48,49) an einem Stützkörper (38,39) aus einem Aluminiummaterial vorgesehen.The invention relates to an axial gas bearing (30) with at least one gas bearing gap (58, 59) which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk (33) and a support surface (48, 49) ) To improve functionally, the support surface (48, 49) is provided on a support body (38, 39) made of an aluminum material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist.The invention relates to an axial gas bearing with at least one gas bearing gap which is designed to form a load-bearing gas film between an axial bearing disk and a support surface.

Stand der TechnikState of the art

Aus der amerikanischen Offenlegungsschrift US 2012/0207414 A1 ist ein als Luftlager ausgeführtes Axiallager mit einer Federfolie und einer Deckfolie bekannt. Aufgrund der verwendeten Folien werden derartige Luftlager auch als Folienlager bezeichnet.From the American Offenlegungsschrift US 2012/0207414 A1 an axial bearing designed as an air bearing with a spring foil and a cover foil is known. Because of the foils used, such air bearings are also referred to as foil bearings.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, funktionell zu verbessern.The object of the invention is to functionally improve an axial gas bearing with at least one gas bearing gap which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk and a support surface.

Die Aufgabe ist bei einem Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass die Stützfläche an einem Stützkörper aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist. Im Betrieb des Axial-Gaslagers dreht sich die Axiallagerscheibe, die zum Beispiel an einem Rotor ausgebildet ist, um eine Drehachse. Durch diese Drehbewegung wird unter Zuhilfenahme von Lagerelementen, wie Folien, in dem Gaslagerspalt eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Gasströmung erzeugt, die den tragenden Gasfilm zwischen der Axiallagerscheibe und der Stützfläche aufbaut. Das Gas für den tragenden Gasfilm wird zum Beispiel über entsprechende Öffnungen zugeführt. Die Ausführung und Anordnung dieser Öffnungen ist bekannt und hier nicht weiter erläutert. Bei dem Gas handelt es sich um Beispiel um Luft. Daher wird das Axial-Gaslager auch als Axial-Luftlager bezeichnet. Der Begriff axial bezieht sich auf die Drehachse des Rotors. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Je nach Anwendung können im Betrieb des Axial-Gaslagers große Axialkräfte und/oder hohe Drehzahlen auftreten. Durch den Stützkörper aus dem Aluminiummaterial wird auf einfache Art eine effiziente Kühlung des Axial-Gaslagers ermöglicht. Dadurch wird auch bei großen Axialkräften und hohen Drehzahlen eine fehlerfreie Funktion einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine sichergestellt. Das Aluminiummaterial hat im Vergleich zu einem bei herkömmlichen Axial-Gaslagern verwendeten Stahlmaterial eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit. So kann die im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme besser aus dem Axial-Gaslager abgeführt werden. Darüber hinaus ist das Aluminiummaterial fertigungstechnisch, zum Beispiel spanend, einfacher zu bearbeiten.In the case of an axial gas bearing with at least one gas bearing gap, which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk and a support surface, the support surface is provided on a support body made of an aluminum material. When the axial gas bearing is in operation, the axial bearing disk, which is formed, for example, on a rotor, rotates about an axis of rotation. With the aid of bearing elements such as foils, this rotary movement generates a gas flow in the gas bearing gap which runs essentially in the circumferential direction and which builds up the load-bearing gas film between the axial bearing disk and the support surface. The gas for the supporting gas film is supplied, for example, via appropriate openings. The design and arrangement of these openings is known and will not be further explained here. The gas is, for example, air. The thrust gas bearing is therefore also referred to as an axial air bearing. The term axial refers to the axis of rotation of the rotor. Axial means in the direction or parallel to the axis of rotation of the rotor. Depending on the application, large axial forces and / or high speeds can occur during operation of the axial gas bearing. The support body made of the aluminum material enables efficient cooling of the axial gas bearing in a simple manner. This ensures that a machine equipped with the axial gas bearing will function properly even with high axial forces and high speeds. The aluminum material has a significantly greater thermal conductivity compared to a steel material used in conventional axial gas bearings. In this way, the heat that occurs during operation of the axial gas bearing can be better dissipated from the axial gas bearing. In addition, the aluminum material is easier to process in terms of production technology, for example by cutting.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Stützkörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.A preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the support body made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface from wear. The axial gas bearing is preferably designed as a foil bearing. Such a film store comprises, for example, at least one spring film and at least one cover film. The spring foil is clamped between the cover foil and the support surface. The hard material layer prevents the spring foil from digging into the support body made of the relatively soft aluminum material. With the hard material layer, similar accuracies can advantageously be achieved as with steel components. The hard material layer is applied to the aluminum material, for example by anodizing. Alternatively, the hard material layer can be formed from titanium nitride.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper mit mindestens einem Ringkörper kombiniert ist, der radial außerhalb der Axiallagerscheibe angeordnet ist. Der Ringkörper begrenzt einen Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers. In dem Aufnahmeraum, der durch den Ringkörper und den Stützkörper begrenzt wird, ist die Axiallagerscheibe des Axial-Gaslagers drehbar gelagert. Je nach Ausführung kann der Ringkörper auch mit dem Stützkörper einstückig verbunden sein.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the support body is combined with at least one annular body which is arranged radially outside the axial bearing disk. The ring body delimits a receiving space of the axial gas bearing. The axial bearing disk of the axial gas bearing is rotatably mounted in the receiving space which is delimited by the ring body and the support body. Depending on the design, the ring body can also be connected in one piece to the support body.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Dadurch kann die Wärmeabfuhr der im Betrieb auftretenden Wärme aus dem Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers weiter verbessert werden. Der Ringkörper ist zum Beispiel mit geeigneten Befestigungsmitteln an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine befestigt.Another preferred embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the ring body is formed from an aluminum material. As a result, the heat dissipation of the heat occurring during operation from the receiving space of the axial gas bearing can be further improved. The ring body is fastened, for example with suitable fastening means, to a housing body of a machine equipped with the axial gas bearing.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Stützfläche an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine vorgesehen ist. Bei der Maschine handelt es sich zum Beispiel um einen Luftverdichter, der vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von Luft dient, die Sauerstoff enthält, der im Betrieb der Brennstoffzelle zu Wasser umgesetzt wird. Der Luftverdichter umfasst zum Beispiel ein Gehäuse aus einem Aluminiummaterial, zu dem der Gehäusekörper mit der weiteren Stützfläche gehört. So kann vorteilhaft ein zweiter Stützkörper entfallen.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that a further support surface is provided on a housing body of a machine equipped with the axial gas bearing. The machine is, for example, an air compressor, which is preferably used in a fuel cell system to provide air that contains oxygen, which is converted to water when the fuel cell is in operation. The air compressor comprises, for example, a housing made of an aluminum material, to which the housing body with the further support surface belongs. A second support body can thus advantageously be dispensed with.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Der Gehäusekörper ist vorzugsweise aus dem gleichen Aluminiummaterial gebildet wie der Stützkörper. Besonders vorteilhaft ist das Gehäuse des mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Luftverdichters insgesamt aus Aluminiummaterial gebildet.Another preferred embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the housing body is formed from an aluminum material. The housing body is preferably formed from the same aluminum material as the support body. The housing of the air compressor equipped with the axial gas bearing is particularly advantageously made entirely of aluminum material.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Gehäusekörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen, insbesondere durch ein Überschleifen der Hartstoffschicht. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that the housing body made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface from wear. The axial gas bearing is preferably designed as a foil bearing. Such a film store comprises, for example, at least one spring film and at least one cover film. The spring foil is clamped between the cover foil and the support surface. The hard material layer prevents the spring foil from digging into the housing body made of the relatively soft aluminum material. With the hard material layer it is advantageously possible to achieve accuracies similar to those with steel components, in particular by grinding the hard material layer. The hard material layer is applied to the aluminum material, for example by anodizing. Alternatively, the hard material layer can be formed from titanium nitride.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Gehäusekörper eine Kühlung integriert ist. Die Kühlung umfasst zum Beispiel einen Kühlwassermantel mit Kühlkanälen, durch die ein Kühlmittel, wie Wasser, geführt wird, um im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme abzuführen. Durch die Verwendung des gut wärmeleitfähigen Aluminiummaterials zur Darstellung des Stützkörpers beziehungsweise von zwei Stützkörpern beziehungsweise eines Stützkörpers und des Gehäusekörpers kann die Wärme aus dem Axial-Gaslager besonders effektiv abgeführt werden.Another preferred exemplary embodiment of the axial gas bearing is characterized in that a cooling system is integrated into the housing body. The cooling comprises, for example, a cooling water jacket with cooling channels through which a coolant, such as water, is passed in order to dissipate heat that occurs during operation of the axial gas bearing. By using the highly thermally conductive aluminum material to represent the support body or two support bodies or a support body and the housing body, the heat from the axial gas bearing can be dissipated particularly effectively.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Luftverdichter mit einem Rotor, der durch ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager gelagert ist. An dem Rotor ist die Axiallagerscheibe angebracht.The invention also relates to an air compressor with a rotor which is supported by an axial gas bearing described above. The axial bearing disk is attached to the rotor.

Das vorab beschriebene Axial-Gaslager wird vorzugsweise in einem Luftverdichter oder Luftkompressor zur axialen Lagerung eines Rotors verwendet. Der Luftverdichter oder Luftkompressor wiederum wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet, um ein Gas, insbesondere Luft, zu verdichten, die dann einer Brennstoffzelle zugeführt wird.The axial gas bearing described above is preferably used in an air compressor or air compressor for the axial bearing of a rotor. The air compressor or air compressor, in turn, is preferably used in a fuel cell system in order to compress a gas, in particular air, which is then fed to a fuel cell.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Axial-Gaslagers.The invention also relates to a method for operating an axial gas bearing described above.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Stützkörper, einen Gehäusekörper und/oder einen Ringkörper für ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager. Die genannten Körper sind separat handelbar.The invention also relates to a support body, a housing body and / or an annular body for an axial gas bearing described above. The named bodies can be traded separately.

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.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

  • 1a eine schematische Schnittdarstellung eines Axial-Gaslagers mit einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 1b die gleiche Darstellung wie in 1a gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers;
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, wie er in 2 dargestellt ist.
Show it:
  • 1a a schematic sectional view of an axial gas bearing with a first embodiment;
  • 1b the same representation as in 1a according to a second embodiment of the axial gas bearing;
  • 2 a schematic sectional view of a compressor with a rotor, which is radially and axially rotatably supported by three bearings; and
  • 3 a schematic representation of a fuel cell system with an air compressor, as shown in 2 is shown.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.In 3 is a fuel cell system 1 shown schematically. Fuel cell systems are known per se, for example from the German Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . The fuel cell system 1 includes a fuel cell 3 which is only indicated by a dashed rectangle. The fuel cell 3 includes at least one stack 2 , which is shown alternatively with a valve symbol.

Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird.By an arrow 4th an air mass flow is indicated, which is carried out via an air supply device designed as an air compressor 5 the fuel cell 3 is fed. By an arrow 6th is a compressed air mass flow 6th indicated, from which a cooling air mass flow 7th is branched off. The cooling air mass flow 7th is also only indicated by an arrow and is part of a cooling air path 19th over which the air compressor 5 via a cooling air inlet 23 Cooling air is supplied.

Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.The one via the cooling air path 19th supplied cooling air is used, for example, to cool air bearings with which a shaft of the air compressor 5 is rotatably mounted. The cooling air mass flow 7th represents one Loss in the compressed air mass flow 6th because the branched off cooling air mass flow 7th no longer in the stack 2 the fuel cell 3 is available.

Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.Since the cooling air mass flow 7th via the air compressor 5 is provided for internal cooling, energy, in particular electrical energy, is necessary to generate it. This energy has a negative effect on the overall efficiency of an electric drive machine of a motor vehicle that is powered by the fuel cell system 1 is driven.

Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.The remaining air mass flow 6th is via an air supply line 8th the fuel cell 3 fed. The fuel cell 3 is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a fuel supplied via a fuel supply line (not shown) and an oxidizing agent into electrical energy.

Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist.The oxidizing agent is the air coming through the air supply line 8th the fuel cell 3 is fed. The fuel can preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, water vapor and carbon dioxide are produced as exhaust gas. The exhaust gas is in the form of an exhaust gas mass flow 10 via an exhaust pipe 9 led away as if by an arrow 10 is indicated.

Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden.The exhaust gas mass flow 10 is via an exhaust turbine 11 to an exhaust gas outlet 12th dissipated, which is indicated by an arrow. The air compressor 5 is in the air supply line 8th arranged. The exhaust turbine 11 is in the exhaust pipe 9 arranged. The air compressor 5 and the exhaust turbine 11 are mechanically connected via a shaft.

Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.The shaft is by an electric motor 14th electrically driven. The exhaust turbine 11 serves to support the electric motor 14th when driving the air compressor 5 . The air compressor 5 who have favourited the exhaust turbine 11 , the shaft and the electric motor 14th together form a turbo compressor 15th , which is also known as a turbo machine.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken.The fuel cell system 1 also includes a bypass line 13th , in which a bypass valve 16 is arranged. Via the bypass line 13th with the bypass valve 16 can be a bypass air mass flow 17th to lower the pressure of the air supply line 8th bypassing the stack 2 the fuel cell 3 into the exhaust pipe 9 be discharged. This is advantageous, for example, to lower the pressure in the air supply line 8th the fuel cell 3 to effect supplied air mass flow.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.The fuel cell system 1 further comprises an intercooler 18th , which is indicated by a dashed rectangle. The intercooler 18th serves to control the compressed air mass flow 6th to cool before the cooling air mass flow 7th via the cooling air path 19th is branched off.

In 2 ist ein Verdichter 100 eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Der Verdichter 100 umfasst ein Gehäuse 101, in welchem ein Elektromotor 102 angeordnet ist. Der Elektromotor 102 dient zum Antrieb eines Rotors 103 des Verdichters 100.In 2 is a compressor 100 a fuel cell system shown schematically. The compressor 100 includes a housing 101 in which an electric motor 102 is arranged. The electric motor 102 serves to drive a rotor 103 of the compressor 100 .

Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Folienlagern oder Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Folienlager oder Axial-Gaslager 106.The rotor 103 of the compressor 100 is with the help of two foil bearings or radial gas bearings 104 , 105 radially in the housing 101 stored. For the axial bearing of the rotor 103 a foil bearing or thrust gas bearing is used 106 .

An dem in 2 linken Ende des Rotors 103 ist ein Verdichterrad 107 angebracht. Das Verdichterrad 107 dient zur Verdichtung von Luft, die in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wenn das Verdichterrad 107 über den Rotor 103 durch den Elektromotor 102 angetrieben wird.At the in 2 left end of the rotor 103 is a compressor wheel 107 appropriate. The compressor wheel 107 is used to compress air that is provided in the fuel cell system when the compressor wheel 107 about the rotor 103 by the electric motor 102 is driven.

Die Gaslager 104, 105; 106 sind als Folienlager ausgeführt und umfassen jeweils einen Gehäusekörper 108, 109; 110. Der Rotor 103 umfasst zwei Rotorabschnitte, die auch als Rotorkörper 111, 112 bezeichnet werden, mit denen der Rotor 103 in den Radial-Gaslagern 104, 105 radial gelagert ist.The gas storage 104 , 105 ; 106 are designed as foil bearings and each include a housing body 108 , 109 ; 110 . The rotor 103 includes two rotor sections, also called the rotor body 111 , 112 are referred to with which the rotor 103 in the radial gas bearings 104 , 105 is mounted radially.

Der Rotor 103 umfasst darüber hinaus einen Rotorbund, der auch als Rotorkörper 113 bezeichnet wird. Über den Rotorkörper 113 ist der Rotor 103 durch das Axial-Gaslager 106 axial in dem Gehäuse 101 gelagert. Der Rotorkörper 113 wird auch als Axiallagerscheibe bezeichnet.The rotor 103 also includes a rotor collar, which also acts as a rotor body 113 referred to as. About the rotor body 113 is the rotor 103 through the thrust gas bearing 106 axially in the housing 101 stored. The rotor body 113 is also known as a thrust bearing washer.

In den 1a, 1b ist ein Axial-Gaslager 30 im Schnitt schematisch dargestellt. Das Axial-Gaslager 30 ist ein Ausführungsbeispiel des in 2 mit 106 bezeichneten Axial-Gaslagers. Das Axial-Gaslager 30 umfasst einen Rotor 31, der dem Rotor 103 in 2 entspricht.In the 1a , 1b is a thrust gas bearing 30th shown schematically in section. The thrust gas bearing 30th is an embodiment of the in 2 with 106 designated axial gas bearing. The thrust gas bearing 30th includes a rotor 31 that the rotor 103 in 2 corresponds to.

Der Rotor 31 umfasst einen Rotorkörper 32, der einstückig mit einer Axiallagerscheibe 33 verbunden ist. Der Rotor 31 mit dem Rotorkörper 32 und der Axiallagerscheibe 33 ist um eine Drehachse 34 drehbar, wie in den 1a, 1b durch einen Pfeil 35 angedeutet ist.The rotor 31 includes a rotor body 32 , which is integral with a thrust bearing washer 33 connected is. The rotor 31 with the rotor body 32 and the thrust washer 33 is around an axis of rotation 34 rotatable, as in the 1a , 1b by an arrow 35 is indicated.

Das Axial-Gaslager 30 ist in einen Gehäusekörper 36 eines Luftverdichters integriert, wie er zum Beispiel in 2 schematisch dargestellt ist. An den Gehäusekörper 36 ist ein Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 angebaut. Das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 umfasst zwei Stützkörper 38, 39.The thrust gas bearing 30th is in a housing body 36 integrated in an air compressor, for example in 2 is shown schematically. To the housing body 36 is a bearing housing 37 of the thrust gas bearing 30th cultivated. The bearing housing 37 of the thrust gas bearing 30th comprises two support bodies 38 , 39 .

Zwischen den Stützkörpern 38 und 39 sind in axialer Richtung ein Ringkörper 40 und ein Zusatzringkörper 41 angeordnet. Durch eine gestrichelte Linie 50 ist mindestens ein Befestigungsmittel angedeutet, mit dem das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 an den Gehäusekörper 36 angebaut ist.Between the support bodies 38 and 39 are an annular body in the axial direction 40 and an auxiliary ring body 41 arranged. With a dashed line 50 at least one fastening means is indicated with which the bearing housing 37 of the thrust gas bearing 30th to the housing body 36 is grown.

Zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 48 sind eine Federfolie 53 und eine Deckfolie 54 angeordnet. Analog sind zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 49 eine Federfolie 55 und eine Deckfolie 56 angeordnet. Die Folien 53 bis 56 sind in den 1a, 1b ebenso wie Gaslagerspalte 58, 59 nur schematisch und stark vereinfacht dargestellt. Between the thrust bearing washer 33 and the support surface 48 are a feather foil 53 and a cover sheet 54 arranged. Analog are between the axial bearing washer 33 and the support surface 49 a feather foil 55 and a cover sheet 56 arranged. The slides 53 to 56 are in the 1a , 1b as well as gas bearing column 58 , 59 shown only schematically and greatly simplified.

Gas, insbesondere Luft, zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 wird zum Beispiel durch Unterbrechungen oder Bohrungen in den Folien 53 bis 56 in die Gaslagerspalte 58, 59 hineingezogen. Die Gaszufuhr zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 ist in den 1a, 1b nicht dargestellt.Gas, in particular air, to form the supporting gas film in the gas bearing gaps 58 , 59 is made, for example, by interruptions or holes in the foils 53 to 56 into the gas storage column 58 , 59 drawn in. The gas supply for the formation of the supporting gas film in the gas bearing gaps 58 , 59 is in the 1a , 1b not shown.

Im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 baut sich in den Gaslagerspalten 58, 59 zwischen den Deckfolien 54, 56 und der Axiallagerscheibe 33 jeweils ein tragender Gasfilm auf. Zwischen den Deckfolien 54, 56 und den Stützflächen 48, 49 sind die Federfolien 53, 54 angeordnet, die sich an den Stützkörpern 38, 39 abstützen.During operation of the thrust gas bearing 30th builds up in the gas bearing crevices 58 , 59 between the cover sheets 54 , 56 and the thrust washer 33 each has a supporting gas film. Between the cover sheets 54 , 56 and the support surfaces 48 , 49 are the feather foils 53 , 54 arranged, which is on the support bodies 38 , 39 prop up.

Über den Zusatzringkörper 41 kann ein axialer Abstand zwischen den Stützkörpern 38, 39 und damit ein Lagerspiel des Axial-Gaslagers 30 eingestellt werden. Je nach Ausführung kann auch mindestens einer der Stützkörper 38, 39, die auch als Stützplatten bezeichnet werden, mit dem Ringkörper 40 und/oder dem Zusatzringkörper 41 zu einem Bauteil vereint werden.Via the additional ring body 41 can be an axial distance between the support bodies 38 , 39 and thus a bearing play of the axial gas bearing 30th can be set. Depending on the design, at least one of the support bodies can also be used 38 , 39 , which are also known as support plates, with the ring body 40 and / or the additional ring body 41 can be combined into one component.

Im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 baut sich in den Gaslagerspalten 58, 59 zwischen den Deckfolien 54, 56 und der Axiallagerscheibe 33 ein tragender Gasfilm auf. Unter den Deckfolien 54, 56 liegen die Federfolien 53, 55, die sich auf den Stützflächen 48, 49 abstützen.During operation of the thrust gas bearing 30th builds up in the gas bearing crevices 58 , 59 between the cover sheets 54 , 56 and the thrust washer 33 a supporting gas film. Under the cover sheets 54 , 56 are the feather foils 53 , 55 that are on the support surfaces 48 , 49 prop up.

Bei dem in 1a dargestellten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers 30 sind die beiden Stützkörper 38, 39, die auch als Stützscheiben bezeichnet werden, aus einem Aluminiummaterial gebildet. An den Stützflächen 48, 49 sind die Stützkörper 38, 39 aus dem Aluminiummaterial mit einer Hartstoffschicht versehen, um die Stützflächen 48, 49 vor Verschleiß zu schützen. Zu diesem Zweck sind zumindest an den Kontaktstellen zwischen den Federfolien 53, 55 und den Stützkörpern 38, 39 Hartstoffschichten vorgesehen.The in 1a illustrated embodiment of the axial gas bearing 30th are the two support bodies 38 , 39 , which are also referred to as support disks, are formed from an aluminum material. On the support surfaces 48 , 49 are the supporting bodies 38 , 39 Made of the aluminum material with a hard material layer around the support surfaces 48 , 49 to protect against wear. For this purpose, at least at the contact points between the spring foils 53 , 55 and the support bodies 38 , 39 Hard material layers provided.

Der Gehäusekörper 36 ist Teil eines Verdichtergehäuses, in das eine Kühlung 60 integriert ist. Die Kühlung umfasst Kühlkanäle 61, 62, durch die ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, geführt wird. Über die Stützkörper 38, 39 aus dem Aluminiummaterial kann in Kombination mit der Wasserkühlung 16 deutlich mehr Wärme aus dem Axial-Gaslager 30 abgeführt werden, als bei herkömmlichen Axial-Gaslagern. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind auch der Ringkörper 40 und der Zusatzringkörper 41 aus einem Aluminiummaterial gebildet. Dadurch kann die Wärmeabfuhr im Betrieb des Axial-Gaslagers weiter verbessert werden.The case body 36 is part of a compressor housing in which a cooling system 60 is integrated. The cooling includes cooling channels 61 , 62 through which a coolant such as cooling water is passed. About the support body 38 , 39 from the aluminum material can be combined with the water cooling 16 significantly more heat from the thrust gas bearing 30th than with conventional axial gas bearings. According to a further aspect of the invention, the ring bodies are also 40 and the additional ring body 41 formed from an aluminum material. As a result, the heat dissipation during operation of the axial gas bearing can be further improved.

In 1b ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem im Unterschied zu dem in 1a dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers 30 der Zusatzringkörper 41 entfällt. Darüber hinaus ist der in 1a mit 39 bezeichnete Stützkörper in den Gehäusekörper 36 des Verdichtergehäuses integriert.In 1b a second embodiment is shown in which, in contrast to that in 1a illustrated first embodiment of the axial gas bearing 30th the additional ring body 41 not applicable. In addition, the in 1a with 39 designated support body in the housing body 36 integrated into the compressor housing.

Der Gehäusekörper 36 des Verdichtergehäuses ist mit einer Kühlung 70 versehen, die Kühlkanäle 71, 72 umfasst. Durch die Kühlkanäle 71, 72 wird ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, geführt, über die das im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 entstehende Wärme abgeführt wird.The case body 36 the compressor housing has a cooling system 70 provided, the cooling channels 71 , 72 includes. Through the cooling channels 71 , 72 a coolant, such as cooling water, is passed through which the axial gas bearing is in operation 30th resulting heat is dissipated.

Der Kühlkanal 71 ist in der Nähe der Stützfläche 49 angeordnet. Der Kühlkanal 72 ist in der Nähe des Ringkörpers 40 angeordnet. Die Anordnung der Kühlkanäle 71, 72 kann vorteilhaft, ebenso wie die Anordnung der Kühlkanäle 61, 62 in 1a, effektiv in die Nähe von Bereichen gelegt werden, die sich im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 besonders stark erwärmen. Dadurch kann die Effektivität der Kühlung 60, 70 weiter verbessert werden.The cooling duct 71 is near the support surface 49 arranged. The cooling duct 72 is near the ring body 40 arranged. The arrangement of the cooling channels 71 , 72 can be advantageous, as can the arrangement of the cooling channels 61 , 62 in 1a , are effectively placed near areas that are in operation during the operation of the thrust gas bearing 30th heat particularly strongly. This can reduce the effectiveness of the cooling 60 , 70 to be further improved.

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  • DE 102012224052 A1 [0018]DE 102012224052 A1 [0018]

Claims (10)

Axial-Gaslager (30) mit mindestens einem Gaslagerspalt (58,59), der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe (33) und einer Stützfläche (48,49) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (48,49) an einem Stützkörper (38,39) aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist.Axial gas bearing (30) with at least one gas bearing gap (58,59) which is designed to form a supporting gas film between an axial bearing disk (33) and a support surface (48,49), characterized in that the support surface (48,49) is provided on a support body (38, 39) made of an aluminum material. Axial-Gaslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (38,39) aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche (48,49) mit einer Hartstoffschicht versehen ist.Axial gas bearing according to Claim 1 , characterized in that the support body (38, 39) made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface (48, 49) from wear. Axial-Gaslager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (38,39) mit mindestens einem Ringkörper (40,41) kombiniert ist, der radial außerhalb der Axiallagerscheibe (33) angeordnet ist.Axial gas bearing according to Claim 2 , characterized in that the support body (38, 39) is combined with at least one ring body (40, 41) which is arranged radially outside the axial bearing disk (33). Axial-Gaslager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (40,41) aus einem Aluminiummaterial gebildet ist.Axial gas bearing according to Claim 3 , characterized in that the ring body (40,41) is formed from an aluminum material. Axial-Gaslager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Stützfläche (49) an einem Gehäusekörper (36) einer mit dem Axial-Gaslager (30) ausgestatteten Maschine (100) vorgesehen ist.Axial gas bearing according to one of the preceding claims, characterized in that a further support surface (49) is provided on a housing body (36) of a machine (100) equipped with the axial gas bearing (30). Axial-Gaslager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (36) aus einem Aluminiummaterial gebildet ist.Axial gas bearing according to Claim 5 , characterized in that the housing body (36) is formed from an aluminum material. Axial-Gaslager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (36) aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche (49) mit einer Hartstoffschicht versehen ist.Axial gas bearing according to Claim 6 , characterized in that the housing body (36) made of the aluminum material is provided with a hard material layer to protect the support surface (49) from wear. Axial-Gaslager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäusekörper (36) eine Kühlung (60;70) integriert ist.Axial gas bearing according to Claim 6 or 7th , characterized in that a cooling system (60; 70) is integrated in the housing body (36). Luftverdichter (100) mit einem Rotor (31), der durch ein Axial-Gaslager (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert ist.Air compressor (100) having a rotor (31) which is supported by an axial gas bearing (30) according to one of the preceding claims. Stützkörper (38,39), Gehäusekörper (36) und/oder Ringkörper (40,41) für ein Axial-Gaslager (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Support body (38,39), housing body (36) and / or ring body (40,41) for an axial gas bearing (30) according to one of the Claims 1 to 8th .
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