DE102019219080A1

DE102019219080A1 - Verdichter

Info

Publication number: DE102019219080A1
Application number: DE102019219080.4A
Authority: DE
Inventors: Armin Schuelke; Thomas Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-10
Also published as: WO2021110382A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Welle (12), mit der wenigstens ein Laufrad (16) verbunden ist, und mit wenigstens einem Axiallager (24), wobei das Axiallager (24) eine mit der Welle (12) verbundene Axiallagerscheibe (26) und wenigstens einer der Axiallagerscheibe (26) zugeordnete Lagerfläche (28) aufweist. Die Axiallagerscheibe (26) weist an ihrer Mantelfläche (27) eine strukturierte Oberfläche (30; 32; 34; 36; 38) auf, durch die bei Rotation der Welle (12) ein Fluidtransport bewirkt wird. Hierdurch kann eine Kühlung des Axiallagers (24) erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach der Gattung des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Verdichter kommen in verschiedenen Anwendungen zur Verdichtung von Gasen, beispielsweise Luft, zum Einsatz. In Brennstoffzellensystemen kommen Verdichter zum Einsatz um der Brennstoffzelle die für die chemische Reaktion mit dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, erforderliche Luft in der erforderlichen Menge und mit dem erforderlichen Druck zuzuführen. Ein derartiger Verdichter ist durch die DE 10 2017 212 819 A1 bekannt. Dieser Verdichter weist eine Welle auf, mit der wenigstens ein Laufrad verbunden ist, durch das bei Rotation der Welle Luft verdichtet wird. Die Welle ist in einem Gehäuse sowohl radial als auch axial gelagert. Das Axiallager umfasst eine mit der Welle verbundene Axiallagerscheibe an der an wenigstens einer Seite eine Lauffläche zur axialen Lagerung ausgebildet ist, die mit einer zugeordneten Lagerfläche im Gehäuse das Axiallager bildet. Die Axiallagerscheibe weist dabei zwei scheibenförmige Teile auf, die über Rippen miteinander verbunden sind. Die Axiallagerscheibe kann dadurch radial von Fluid durchströmt werden, wodurch eine Kühlung des Axiallagers erreicht wird. Jedoch ist die Herstellung der Axiallagerscheibe aufwendig und dadurch teuer.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Verdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Axiallagerscheibe einfach und kostengünstig herstellbar ist und dennoch eine Kühlung des Axiallagers erreicht ist. Auch der Verdichter ist dadurch einfach und kostengünstig herstellbar.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
In den Ansprüchen 2 bis 8 sind einfach und kostengünstig herstellbare strukturierte Oberflächen der Mantelfläche der Axiallagerscheibe angegeben.
Zeichnung
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ausschnittsweise einen Verdichter mit einem Axiallager in vereinfachter Darstellung in einem Längsschnitt, 2 eine Axiallagerscheibe des Axiallagers in einem Querschnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 3 die Axiallagerscheibe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 4 die Axiallagerscheibe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, 5 die Axiallagerscheibe gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel und 6 die Axiallagerscheibe gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Verdichter 10 dargestellt, der vorzugsweise Teil eines Brennstoffzellensystems ist und durch den der Brennstoffzelle verdichtete Luft zugeführt wird. Der Verdichter 10 weist eine Welle 12 auf, die im Betrieb um eine Rotationsachse 14 rotiert. Mit der Welle 12 ist wenigstens ein Verdichterrad 16 verbunden, durch das Luft verdichtet und zur Brennstoffzelle gefördert wird. Die Welle 12 wird durch einen nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Zur Unterstützung des Elektromotors kann außerdem ein Turbinenrad mit der Welle 12 verbunden sein, das durch den Abgasstrom des Brennstoffzellensystems angetrieben wird.
Die Welle 12 ist beispielsweise in einem Gehäuseteil 20 drehbar gelagert, wobei wenigstens ein Radiallager 22 und ein Axiallager 24 vorgesehen sind. Das Axiallager 24 umfasst eine mit der Welle 12 verbundene Axiallagerscheibe 26 und wenigstens eine der Stirnseite der Axiallagerscheibe 26 gegenüberliegende Lagerfläche 28. Wenn das Axiallager 24 nur einseitig wirksam ist, so ist nur einseitig eine Lagerfläche 28 vorhanden und wenn das Axiallager 24 beidseitig wirksam ist, so ist auf beiden Seiten eine Lagerfläche 28 vorhanden. Die Lagerflächen 28 können am Gehäuseteil 20 oder an in das Gehäuseteil 20 eingesetzten separaten Bauteilen, beispielsweise Lagerscheiben, angeordnet sein. Radial nach außen ist die Axiallagerscheibe 26 beispielsweise von einer Zwischenscheibe 29 umgeben sein. Die Axiallagerscheibe 26 weist ein der Zwischenscheibe 29 zugewandte Mantelfläche 27 auf. Die Radiallager 22 und Axiallager 24 können beispielsweise als Folienlager oder Kippsegmentlager ausgeführt sein.
Im Betrieb des Verdichters 10 kommt es infolge Reibung zu einer Erwärmung der Radiallager 22 und Axiallager 24. Um eine Kühlung des Axiallagers 24 zu erreichen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Axiallagerscheibe 26 an ihrer Mantelfläche 27 eine strukturierte Oberfläche aufweist, durch die bei Rotation der Welle 12 und damit der Axiallagerscheibe 26 ein Fluidtransport oder eine Verwirbelung von Fluid bewirkt wird, wobei das Fluid insbesondere Luft ist, und hierdurch eine Kühlung des Axiallagers 24 erreicht wird. Die strukturierte Oberfläche weist dabei insbesondere über den Umfang der Axiallagerscheibe 26 verteilte Erhebungen und/oder Vertiefungen auf. Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der strukturierten Oberfläche der Axiallagerscheibe 26 näher beschrieben.
Bei einem in 2 dargestellt ersten Ausführungsbeispiel weist die Axiallagerscheibe 26 an ihrer Mantelfläche 27 zumindest annähernd radial zur Rotationsachse 14 verlaufende Schaufeln 30 auf. Die Schaufeln 30 können eben oder gekrümmt ausgebildet sein und sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Axiallagerscheibe 26 verteilt angeordnet. Die Anzahl und Ausbildung der Schaufeln 30 ist geeignet gewählt. Die Schaufeln 30 können einstückig mit der Axiallagerscheibe 26 ausgebildet sein oder an dieser befestigt sein, beispielsweise formschlüssig oder stoffschlüssig durch Kleben, Schweißen oder Löten.
Bei einem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel weist die Axiallagerscheibe 26 in ihrer Mantelfläche 27 zumindest annähernd radial zur Rotationsachse 14 verlaufende Schlitze 32 auf. Die Schlitze 32 sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Axiallagerscheibe 26 verteilt angeordnet und sind etwa rechteckförmig ausgebildet. Die Breite und Tiefe sowie die Anzahl der Schlitze 32 ist geignet gewählt. Die Schlitze 32 können direkt bei der Herstellung der Axiallagerscheibe 26, beispielsweise in einem Gießverfahren, eingebracht sein oder nachträglich beispielsweise mittels eines spanabhebenden Verfahrens. Alternativ können die Schlitze 32 auch mittels eines Rändelwerkzeugs eingebracht werden. Die Schlitze 32 können auch schräg zur Rotationsachse 14 verlaufen und sich kreuzen.
Bei einem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel weist die Axiallagerscheibe 26 in ihrer Mantelfläche 27 über ihren Umfang verteilte Ausnehmungen 34 auf, die gerundet ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 34 sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet und können direkt bei der Herstellung der Axiallagerscheibe 26, beispielsweise in einem Gießverfahren, eingebracht sein oder nachträglich beispielsweise mittels eines spanabhebenden Verfahrens.
Bei einem in 5 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel weist die Axiallagerscheibe 26 in ihrer Mantelfläche 27 ein Sägezahnprofil 36 auf. Die Zähne des Sägezahnprofils 36 können beispielsweise etwa dreieckförmig ausgebildet sein und sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Axiallagerscheibe 26 verteilt angeordnet. Die Anzahl der Zähne des Sägezahnprofils sowie deren Form ist geeignet gewählt. Das Sägezahnprofil 36 kann direkt bei der Herstellung der Axiallagerscheibe 26, beispielsweise in einem Gießverfahren, eingebracht sein oder nachträglich beispielsweise mittels eines spanabhebenden Verfahrens.
Bei einem in 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel weist die Axiallagerscheibe 26 an ihrer Mantelfläche 27 ein Polygonprofil 38 auf, das beispielsweise durch mehrere über den Umfang der Axiallagerscheibe 26 verteilte Abflachungen 39 gebildet ist. Die Abflachungen 39 sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Axiallagerscheibe 26 verteilt angeordnet. Die Übergänge zwischen den Abflachungen 39 können in einer Kante oder gerundet ausgebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017212819 A1 [0002]

Claims

Verdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Welle (12), mit der wenigstens ein Laufrad (16) verbunden ist, und mit wenigstens einem Axiallager (24), wobei das Axiallager (24) eine mit der Welle (12) verbundene Axiallagerscheibe (26) und wenigstens einer der Axiallagerscheibe (26) zugeordnete Lagerfläche (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagerscheibe (26) an ihrer Mantelfläche (27) eine strukturierte Oberfläche (30; 32; 34; 36; 38) aufweist, durch die bei Rotation der Welle (12) ein Fluidtransport oder eine Fluidverwirbelung bewirkt wird.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche (30; 32; 34; 36) durch über den Umfang der Axiallagerscheibe (26) verteilt angeordnete Erhebungen und/oder Vertiefungen der Mantelfläche (27) gebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (27) der Axiallagerscheibe (26) über deren Umfang verteilt angeordnete, vorzugsweise zumindest annähernd radial verlaufende Schaufeln (30) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (27) der Axiallagerscheibe (26) über deren Umfang verteilte , vorzugsweise zumindest annähernd radial verlaufende Schlitze (32) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (27) der Axiallagerscheibe (26) über deren Umfang verteilte gerundete Ausnehmungen (34) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (27) der Axiallagerscheibe (26) ein über deren Umfang verlaufendes Sägezahnprofil (36) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (27) der Axiallagerscheibe (26) ein über deren Umfang verlaufendes Polygonprofil (38) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polygonprofil (38) mehrere über den Umfang der Mantelfläche (27) der Axiallagerscheibe (26) verteilte Abflachungen (39) aufweist.