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Die Erfindung betrifft ein Folienaxiallager mit einer Deckfolie und mit einer Federfolie, die zwischen einer Druckscheibe und der Deckfolie angeordnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Gaszuführeinrichtung mit einem Rotor, der durch ein derartiges Folienaxiallager gelagert ist. Die Gaszuführeinrichtung wird besonders vorteilhaft in einem Brennstoffzellensystem verwendet, um einer Brennstoffzelle Gas, insbesondere Luft, zuzuführen. Die Gaszuführeinrichtung ist zum Beispiel als Verdichter oder Kompressor ausgeführt.
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Bei Strömungsmaschinen, insbesondere bei Verdichter/Kompressoren für Brennstoffzellensysteme, wird vielfach ein Luftlager eingesetzt. Die axialen Luftlager umfassen dabei im Wesentlichen eine Deckfolie, eine Federfolie und eine Druckscheibe, auf welcher die Federfolie und die Deckfolie angeordnet sind. Beim klassischen axialen Luftlager dreht sich ein Rotor und baut durch seine Schleppströmung und die Rampengeometrie des axialen Luftlagers einen Gasfilm zwischen Rotor und Deckfolie auf, der die Axialkräfte des Rotors trägt. Die Federfolie hat die Aufgabe Schiefstellung und Konizitäten zwischen Gehäuse und Rotor auszugleichen und gleichzeitig eine für den Aufbau des Gasfilms günstige Luftspaltgeometrie zu erzeugen. Diese wird durch die Steifigkeitsverteilung in der Federfolie erreicht, welche durch die Geometrie der durch die Federfolie gebildeten Federn und die Foliendecke eingestellt wird.
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Stand der Technik
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Aus der
US 2012/0207414 A1 ist ein Folienlager bekannt, bei welchem die Deckfolie in einem Bereich zwischen einer Verbindungsstelle mit der Druckscheibe und einem ersten Buckel der Federfolie einen kurvenförmigen konvexen Verlauf aufweist.
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Um bei einem Folienaxiallager eine gute Anpassung zwischen Deckfolie und Rotoroberfläche zu erreichen, muss eine Federfolie bereitgestellt werden. Zur Ausbildung dieser Federfolie, beziehungsweise deren Federgeometrie wird diese durch einen Umformprozess im weichgeglühten Zustand mit einer anschließenden Wärmebehandlung hergestellt. Die Herstellung des Folienaxiallagers ist dadurch aufwändig und teuer.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Folienaxiallager für Brennstoffzellensysteme bereitzustellen, welches einfache und wirtschaftlicher herstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch ein Folienaxiallager für Brennstoffzellensysteme mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung gibt ein Folienaxiallager für Brennstoffzellensysteme an, wobei das Folienaxiallager eine Druckscheibe mit wenigstens einer Deckfolie, welche in Umfangrichtung auf der Druckscheibe angeordnet ist, und eine Federfolie, welche zwischen der Druckscheibe und der Deckfolie angeordnet ist, umfasst. Die Federfolie ist dabei durch ebene Federfolienelemente gebildet, welche jeweils über Lagermittel sowohl zu der Druckscheibe als auch zu der Deckfolie gelagert sind.
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Als ebene Federfolienelemente werden Federfolienelemente verstanden, welche abgesehen von einer Dicke eine zweidimensionale Erstreckung haben. Das Federfolienelement kann dadurch ohne ein Umformen hergestellt werden. Die äußeren Abmessungen des Federfolienelements können somit beispielweise durch einen einfachen Stanz- oder Ätzprozess hergestellt werden. Dadurch ist das Federfolienelement einfach und wirtschaftlich herstellbar. Als Lagermittel werden dabei Mittel verstanden, über welche das Federfolienelement gehalten ist und über die Kräfte in das Federfolienelement einleitbar sind.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Federfolie durch mehrere Federfolienelemente gebildet. Die Federfolienelemente sind dabei vorzugsweise über wenigstens eine Verbindung miteinander verbunden. Durch eine solche Federfolie kann für die Federfolienelemente jeweils eine unterschiedliche Federsteifigkeit gewählt werden. Dadurch ist eine präzisere Auslegung und eine lokale Anpassung der Federsteifigkeit möglich. Durch die mehreren Federfolienelemente kann zudem eine ausreichende Federsteifigkeit erzielt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das erste Lagermittel durch eine Zwischenfolie gebildet, welche auf der Druckscheibe aufliegt, wobei die Zwischenfolie im Bereich des Federfolienelements zwischen den gelagerten Rändern eine Aussparung aufweist. Eine solche Zwischenfolie mit den Aussparungen ist einfach im Wege des beispielsweise Stanzens oder Ätzens herstellbar. Dadurch kann ein solches Folienaxiallager einfach und wirtschaftlich hergestellt werden. Zusätzlich kann über die Dicke der Zwischenfolie die Federwegbegrenzung eingestellt werden, so dass das Federfolienelement bei dem maximalen Federweg an der Druckplatte anliegt.
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Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Folienaxiallager mit einer Deckfolie und mit einer Federfolie, die zwischen einer Druckscheibe und der Deckfolie angeordnet ist, insbesondere dadurch gelöst, dass die Federfolie mindestens ein Federfolienelement umfasst, das als einseitiger Biegebalken ausgeführt ist. Der einseitige Biegebalken ist mit einem Ende festgelegt oder eingespannt. Daher wird dieses Ende des einseitigen Biegebalkens auch als festes Ende bezeichnet. Das andere Ende des Biegebalkens, der mit dem Federfolienelement dargestellt wird, ist frei bewegbar. Daher wird dieses Ende des einseitigen Biegebalkens auch als freies Ende bezeichnet. Das freie Ende des einseitigen Biegebalkens ist, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Lagermittels, vorteilhaft zusammen mit der Deckfolie bewegbar, die einen Gaslagerspalt begrenzt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen der Druckscheibe und der Deckfolie dient. Die Druckscheibe wird bei Folienaxiallagern auch als Axiallagerscheibe bezeichnet. Die Federfolie mit dem mindestens einen Federfolienelement, das den einseitigen Biegebalken darstellt, kann vorteilhaft ohne Umformen mit hoher Genauigkeit hergestellt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der einseitige Biegebalken ein freies Ende aufweist, das sich in einen Freiraum auf einer der Deckfolie abgewandten Seite hineinbewegt, wenn sich der einseitige Biegebalken im Betrieb des Folienaxiallagers verformt. Bei der Verformung des einseitigen Biegebalkens handelt es sich vorteilhaft um eine elastische Verformung. Die Verformung ist gewünscht, um die Ausbildung des tragenden Gasfilms in dem Gaslagerspalt zu unterstützen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum in der Druckscheibe vorgesehen ist. Der Freiraum wird zum Beispiel mit Hilfe einer Nut in der Druckscheibe realisiert. Die Gestalt und die Größe des Freiraums sind vorzugsweise mit der gewünschten Bewegung des einseitigen Biegebalkens im Betrieb des Folienaxiallagers abgestimmt. Über die Größe des Freiraums kann zusätzlich die Bewegung des einseitigen Biegebalkens mit seinem freien Ende begrenzt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der einseitige Biegebalken mit einem Ende fest mit der Druckscheibe verbunden ist. Die feste Verbindung kann stoffschlüssig und/oder formschlüssig realisiert werden. So kann das Federfolienelement, das den einseitigen Biegebalken darstellt, zum Beispiel durch Schweißen oder Kleben an der Druckscheibe befestigt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der einseitige Biegebalken an einem Ende torsionssteif mit einem Außenring verbunden ist. Die Verbindung mit dem Außenring ist vorzugsweise einstückig ausgeführt. Durch die Verbindung mit dem Außenring kann die Stabilität der Federfolie wirksam erhöht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der einseitige Biegebalken an einem Ende torsionssteif mit einem Innenring verbunden ist. Die Verbindung mit dem Innenring ist vorzugsweise ebenfalls einstückig ausgeführt. Dadurch kann die Stabilität der Federfolie weiter erhöht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagermittel zwischen der Deckfolie und dem freien Ende des einseitigen Biegebalkens angeordnet ist. Über das Lagermittel erfolgt im Betrieb des Folienaxiallagers die Übertragung einer Kraft, insbesondere von Druckkräften, die von dem Gas in dem Gaslagerspalt auf die Deckfolie ausgeübt werden, von der Deckfolie auf die Federfolie.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermittel als Zwischenfolienelement ausgeführt ist. Das Zwischenfolienelement ist zum Beispiel als Blechstreifen ausgeführt, der zwischen dem freien Ende des einseitigen Biegebalkens und der Deckfolie eingelegt ist.
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Die oben angegebene Aufgabe wird auch durch eine Gaszuführeinrichtung mit einem Rotor gelöst, der durch ein vorab beschriebenes Folienaxiallager gelagert ist. Bei der Gaszuführeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Kompressor oder Verdichter, der zum Beispiel in einem Brennstoffzellensystem zum Verdichten von Luft dient.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Folienaxiallagers.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen Folienaxiallager.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Federfolienelement, eine Federfolie, eine Deckfolie, ein Lagermittel, insbesondere ein Zwischenfolienelement, und/oder eine Druckscheibe für ein vorab beschriebenes Folienaxiallager. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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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 generelle Anordnung eines Folienaxiallagers;
- 2 eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer Federfolie gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 3 die Ansicht eines Schnitts in einer Umfangsrichtung durch das Folienaxiallager; und
- 4 eine ähnliche Darstellung wie in 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine generelle Anordnung eines Folienaxiallagers 10 gezeigt. Das Folienaxiallager 10 umfasst dabei eine Druckscheibe 14, auf welcher mehrere Deckfolien 18 in Form von Segmenten in Umfangsrichtung der Druckscheibe 14 angeordnet sind. Die Deckfolien 18 sind dabei an einem Deckfolienrand 22, welcher hier in radialer Richtung der Druckscheibe 14 verläuft, mit der Druckscheibe 14 verbunden. Anden Deckfolienrand 22 anschließend, bildet die Deckfolie 18 eine Rampengeometrie 26 aus, über welche ein Abstand zwischen Druckscheibe 14 und Deckfolie 18 gebildet wird. In 1 ist eine Deckfolie 18 abgenommen, so dass eine in diesem beabstandeten Bereich zwischen der Deckfolie 18 und der Druckscheibe 14 angeordnete Federfolie 30 sichtbar ist. Über die Federfolie 30 können Schiefstellungen eines mit dem Folienaxiallager 10 mitrotierenden und an dem Folienaxiallager 10 anliegenden Rotors 34 ausgeglichen werden.
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In 2 ist eine Draufsicht auf ein Teil der Federfolie 30 nach einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Federfolie 30 umfasst in dem in 2 gezeigten Ausschnitt insgesamt vier Federfolienelemente 41, 42. Die Federfolienelemente 41, 42 haben jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Form.
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In 3 ist ein Schnitt in Umfangsrichtung des Folienaxiallagers 10 gezeigt. Zwischen dem Rotor 34 und der Deckfolie 18 ist ein Gaslagerspalt 50 ausgebildet. Im Betrieb des Folienaxiallagers 10 ergibt sich aufgrund einer sich in dem Gaslagerspalt 50 einstellenden Rampengeometrie (26 in 1) eine Schleppströmung in dem Gasfilm zwischen Rotor 34 und Deckfolie 18. Über den Gasfilm werden Axialkräfte des Rotors 34 getragen.
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Die Federfolienelemente 41, 42 der Federfolie 30 sind aus einem ebenen Blechmaterial gebildet. Dabei sind die Federfolienelemente 41, 42 so ausgeführt und angeordnet, dass sie einseitige Biegebalken 55, 56 darstellen.
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Einseitiger Biegebalken bedeutet im Hinblick auf das Federfolienelement 41, dass sich ein freies Ende 45 des Federfolienelements 41 in einen darunter angeordneten Freiraum 43 hineinbewegen kann. Der Freiraum 43 ist, wie man in 3 sieht, unterhalb des freien Endes 45 des Federfolienelements 41 in der Druckscheibe 14 ausgespart.
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Ein entsprechender Freiraum 44 ist auch unterhalb des nicht näher bezeichneten freien Endes des Federfolienelements 42 angeordnet. Durch gestrichelte Linien unterhalb der Federfolienelemente 41, 42 ist in 3 angedeutet, wie sich der einseitige Biegebalken 55, 56 in den jeweils zugeordneten Freiraum 43, 44 hineinbewegt.
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An einem in 3 rechten Ende 46 ist das Federfolienelement 41 an einem Befestigungsbereich 48 der Druckscheibe 14 befestigt. Das Federfolienelement 42 ist an einem Befestigungsbereich 49 der Druckscheibe 14 befestigt. Die Befestigung der Federfolienelemente 41, 42 an der Druckscheibe 14 erfolgt zum Beispiel stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen oder Kleben.
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Zwischen den freien Enden 45 der Federfolienelemente 41, 42 und der Deckfolie 18 ist jeweils ein Lagermittel 51, 52 angeordnet. Die Lagermittel 51, 52 sind als Zwischenfolienelemente 53, 54 ausgeführt. Im einfachsten Fall sind die Zwischenfolienelemente 53, 54 einfach zwischen den Federfolienelementen 41, 42 und der Deckfolie 18 eingelegt.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist veranschaulicht, dass die einseitigen Biegebalken, die in 3 mit 55 und 56 bezeichnet sind, über Stege 63, 64 auch mit einem Innenring 61 und einem Außenring 62 verbunden sein können. Dadurch kann die Stabilität der Federfolie 30 mit den Federfolienelementen 41, 42 erhöht werden.
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Je nach Ausführung genügt es unter Umständen auch, wenn die Federfolienelemente 41, 42, welche die einseitigen Biegebalken darstellen, auch nur an den Innenring 61 oder nur an den Außenring 62 angebunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0207414 A1 [0003]
