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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbofluidmaschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
JP 2019 082 195 A offenbart eine bekannte Turbofluidmaschine. Diese Turbofluidmaschine weist ein Rotationselement, ein Betriebsteil, das dazu eingerichtet ist, sich zusammen mit dem Rotationselement zu drehen, um ein Fluid zu komprimieren und auszustoßen, ein Gehäuse zur Aufnahme des Rotationselements und des Betriebsteils und ein Folienlager, das das Rotationselement so trägt, dass das Rotationselement relativ zum Gehäuse drehbar ist, auf.
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Das Rotationselement hat eine Lagerkontaktfläche, und das Folienlager hat eine Lagerfläche, die der Lagerkontaktfläche gegenüberliegt. Das Folienlager stützt das Rotationselement, während es das Rotationselement berührt (d.h. Kontaktabstützung des Rotationselements durch das Lager), bei einer Rotation des Rotationselements mit niedriger Geschwindigkeit und stützt das Rotationselement ohne Kontakt mit dem Rotationselement (d.h. berührungslose Abstützung des Rotationselements durch das Lager) bei einer Rotation des Rotationselements mit hoher Geschwindigkeit. Das heißt, bei einer langsamen Drehung des Rotationselements wird das Rotationselement durch das Folienlager gestützt, wobei die Lagerkontaktfläche die Lagerfläche berührt. Bei einer hohen Rotationsgeschwindigkeit des Rotationselements wird das Rotationselement durch einen Flüssigkeitsfilm gestützt, der in einem Spalt zwischen der Lagerkontaktfläche und der Lagerfläche erzeugt wird, ohne dass die Lagerkontaktfläche die Lagerfläche berührt.
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Wenn sich das Rotationselement mit einer niedrigen Geschwindigkeit dreht, während es das Folienlager berührt, gleitet die Lagerkontaktfläche auf der Lagerfläche. Dies kann zu einer Beschädigung, z. B. durch Festfressen, der Gleitfläche der Lagerkontaktfläche und/oder der Lagerfläche führen. Um eine solche Beschädigung der Gleitfläche zu reduzieren, ist die Lagerfläche und/oder die Lagerkontaktfläche mit einer Beschichtung versehen.
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Für das Folienlager einer solchen Turbofluidmaschine ist es wichtig, die Haltbarkeit der Beschichtung auf der Oberfläche zu erhöhen, um die Lebensdauer des Folienlagers zu verlängern.
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Die Erfinder versuchten, die Verschleißfestigkeit der Beschichtungsschicht auf der Oberfläche zu verbessern, indem sie Polyamid-Imid, das eine hohe Härte aufweist, als Material für die Beschichtungsschicht verwendeten, um die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht zu erhöhen. In einem Versuch wurde jedoch festgestellt, dass die hochverschleißfeste Polyamid-Imid-Beschichtung die Haltbarkeit der Beschichtung auf der Lageroberfläche des Folienlagers nicht wie erwartet erhöht.
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Die vorliegende Erfindung, die vor dem Hintergrund des oben genannten Problems gemacht wurde, ist darauf gerichtet, eine Turbofluidmaschine bereitzustellen, die in der Lage ist, die Haltbarkeit einer Beschichtungsschicht auf einer Lageroberfläche eines Folienlagers und/oder einer Lagerkontaktoberfläche zu erhöhen, um die Lebensdauer des Folienlagers zu erhöhen.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Turbofluidmaschine bereitgestellt, die Folgendes aufweist: ein Rotationselement mit einer Lagerkontaktfläche; ein Betriebsteil, das dazu eingerichtet ist, sich zusammen mit dem Rotationselement zu drehen, um ein Fluid zu komprimieren und abzugeben; ein Gehäuse, das das Rotationselement und das Betriebsteil aufnimmt; und ein Folienlager mit einer Lagerfläche, die der Lagerkontaktfläche gegenüberliegt und das Rotationselement so trägt, dass das Rotationselement relativ zum Gehäuse drehbar ist.
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Mindestens die Lagerkontaktfläche oder die Lagerfläche weist eine Beschichtungsschicht auf. Die Beschichtungsschicht besteht aus Polyamid-Imid als Bindemittelharz und Molybdändisulfid als Festschmierstoff. Das Massenverhältnis von Molybdändisulfid zu Polyamid-Imid beträgt 0,42 oder mehr.
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung zeigen.
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Figurenliste
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Die Erfindung sowie ihre Gegenstände und Vorteile werden am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Figuren verstanden, in denen:
- 1 ist eine Schnittdarstellung eines Turbokompressors gemäß einer Ausführungsform;
- 2 ist eine detailvergrößerte Schnittansicht des Turbokompressors gemäß der Ausführungsform;
- 3 ist eine weitere detailvergrößerte Schnittansicht des Turbokompressors gemäß der Ausführungsform;
- 4 ist eine schematische und detailvergrößerte Schnittansicht eines Rotationselements und einer Beschichtungsschicht eines Folienlagers des Turbokompressors gemäß der Ausführungsform;
- 5 ist eine schematische Schnittansicht des Turbokompressors gemäß der Ausführungsform, die den Verschleiß der Beschichtungsschicht des Folienlagers erklärt;
- 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Rings mit einem Block bei einer Reibungs- und Verschleißprüfung;
- 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung von Reibungs- und Verschleißtestbedingungen; und
- 8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Oberflächenrauheit der Beschichtung und dem Molybdändisulfidgehalt nach der Reibungs- und Verschleißprüfung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
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Ausführungsform
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Gemäß einer Ausführungsform dient ein Turbokompressor 10 als die Turbofluidmaschine der vorliegenden Erfindung. Der Turbokompressor 10 ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug verbaut, das ein Brennstoffzellensystem 1 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 1 versorgt eine im Fahrzeug verbaute Brennstoffzelle mit Sauerstoff und Wasserstoff, um Strom zu erzeugen. Der Turbokompressor 10 komprimiert sauerstoffhaltige Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt werden soll.
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Wie in 1 gezeigt, weist der Turbokompressor 10, der als Turbofluidmaschine der vorliegenden Erfindung dient, ein Gehäuse 11 auf. Das Gehäuse 11 besteht aus Metall, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Das Gehäuse 11 weist ein Motorgehäuse 12, ein Kompressorgehäuse 13, ein Turbinengehäuse 14, eine erste Platte 15, eine zweite Platte 16 und eine dritte Platte 17 auf.
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Das Motorgehäuse 12 hat eine plattenförmige Stirnwand 12a und eine Umfangswand 12b. Die Umfangswand 12b hat eine zylindrische Form und steht von einem äußeren Umfangsabschnitt der Stirnwand 12a ab. Die erste Platte 15 ist mit einem offenen Ende der Umfangswand 12b des Motorgehäuses 12 verbunden, um eine Öffnung der Umfangswand 12b zu schließen.
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Im Motorgehäuse 12 wirken eine Innenfläche 121a der Stirnwand 12a, eine innere Umfangsfläche 121b der Umfangswand 12b und eine Endfläche 15a der ersten Platte 15 neben dem Motorgehäuse 12 zusammen, um eine Motorkammer S1 zu bilden. In der Motorkammer S1 ist ein Elektromotor 18 untergebracht.
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Die erste Platte 15 hat einen ersten Lagerhalterungsabschnitt 20. Der erste Lagerhalterungsabschnitt 20 ragt vom Mittelteil der Endfläche 15a der ersten Platte 15 in Richtung des Elektromotors 18. Der erste Lagerhalterungsabschnitt 20 hat eine zylindrische Form.
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Die andere Endfläche 15b der ersten Platte 15 ist vom Motorgehäuse 12 beabstandet und hat eine Aussparung 15c mit einer Bodenfläche 15d. Die Aussparung 15c hat die Form eines kreisförmigen Lochs. Der zylindrische erste Lagerhalterungsabschnitt 20 ist zur Bodenfläche 15d der Aussparung 15c hin durch die erste Platte 15 geöffnet. Die Aussparung 15c ist koaxial mit dem ersten Lagerhalterungsabschnitt 20 ausgebildet. Die Aussparung 15c hat eine innere Umfangsfläche 15e, durch die die Endfläche 15b mit der Bodenfläche 15d verbunden ist.
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Das Motorgehäuse 12 hat einen zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22. Der zweite Lagerhalterungsabschnitt 22 ragt von dem mittleren Abschnitt der Innenfläche 121a der Stirnwand 12a des Motorgehäuses 12 in Richtung des Elektromotors 18. Der zweite Lagerhalterungsabschnitt 22 hat eine zylindrische Form. Der zweite Lagerhalterungsabschnitt 22 ist an einer Außenfläche 122a der Endwand 12a durch die Endwand 12a des Motorgehäuses 12 hindurch geöffnet. Der erste Lagerhalterungsabschnitt 20 ist koaxial mit dem zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22 ausgebildet.
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Wie in 2 gezeigt, ist die zweite Platte 16 mit der Endfläche 15b der ersten Platte 15 verbunden. Die zweite Platte 16 hat ein Welleneinführungsloch 16a im Mittelteil der zweiten Platte 16. Das Welleneinführungsloch 16a steht mit der Ausnehmung 15c in Verbindung. Das Welleneinführungsloch 16a ist koaxial mit der Aussparung 15c und dem ersten Lagerhalterungsabschnitt 20 ausgebildet. Die zweite Platte 16 hat eine Endfläche 16b, die an die erste Platte 15 angrenzt, und die Endfläche 16b wirkt mit der Ausnehmung 15c der ersten Platte 15 zusammen, um eine Axiallageraufnahmekammer S2 zu bilden.
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Das Kompressorgehäuse 13 hat eine zylindrische Form und verfügt über einen kreisförmigen lochförmigen Einlass 13a, durch den Luft in das Kompressorgehäuse 13 gesaugt wird. Das Kompressorgehäuse 13 ist mit der anderen Endfläche 16c der zweiten Platte 16 verbunden, die von der ersten Platte 15 entfernt ist. Der Einlass 13a des Kompressorgehäuses 13 ist koaxial mit dem Welleneinführungsloch 16a der zweiten Platte 16 und dem ersten Lagerhalterungsabschnitt 20 ausgebildet. Der Einlass 13a ist an einer von der zweiten Platte 16 entfernten Stirnfläche des Kompressorgehäuses 13 geöffnet.
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Zwischen dem Kompressorgehäuse 13 und der Endfläche 16c der zweiten Platte 16 sind eine erste Schaufelradkammer 13b, eine Auslasskammer 13c und ein erster Diffusordurchgang 13d ausgebildet. Die erste Schaufelradkammer 13b ist mit dem Einlass 13a verbunden. Die Auslasskammer 13c erstreckt sich um die Achse des Einlasses 13a um die erste Schaufelradkammer 13b. Die erste Schaufelradkammer 13b steht über den ersten Diffusordurchgang 13d mit der Auslasskammer 13c in Verbindung. Die erste Schaufelradkammer 13b steht mit dem Welleneinführungsloch 16a der zweiten Platte 16 in Verbindung.
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Wie in 3 gezeigt, ist die dritte Platte 17 mit der Außenfläche 122a der Stirnwand 12a des Motorgehäuses 12 verbunden. Die dritte Platte 17 hat ein Welleneinführungsloch 17a im mittleren Bereich der dritten Platte 17. Das Welleneinführungsloch 17a steht in Verbindung mit dem zylindrischen zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22. Das Welleneinführungsloch 17a ist koaxial mit dem zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22 ausgebildet.
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Das Turbinengehäuse 14 hat eine zylindrische Form und verfügt über einen kreisförmigen lochförmigen Auslass 14a, durch den die Luft abgeleitet wird. Das Turbinengehäuse 14 ist mit der anderen Endfläche 17b der dritten Platte 17 verbunden, die vom Motorgehäuse 12 entfernt ist. Der Auslass 14a des Turbinengehäuses 14 ist koaxial mit dem Welleneinführungsloch 17a der dritten Platte 17 und dem zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22 ausgebildet. Der Auslass 14a ist an einer von der dritten Platte 17 entfernten Stirnfläche des Turbinengehäuses 14 geöffnet.
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Eine zweite Schaufelradkammer 14b, eine Ansaugkammer 14c und ein zweiter Diffusordurchgang 14d sind zwischen dem Turbinengehäuse 14 und einer Endfläche 17b der dritten Platte 17 ausgebildet. Die zweite Schaufelradkammer 14b steht mit dem Auslass 14a in Verbindung. Die Ansaugkammer 14c erstreckt sich um die Achse des Auslasses 14a um die zweite Schaufelradkammer 14b. Die zweite Schaufelradkammer 14b steht über den zweiten Diffusordurchgang 14d mit der Ansaugkammer 14c in Verbindung. Die zweite Schaufelradkammer 14b steht mit dem Welleneinführungsloch 17a der dritten Platte 17 in Verbindung.
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Wie in 1 gezeigt, ist in dem Gehäuse 11 ein Rotationselement 24 untergebracht. Das Rotationselement 24 hat eine Drehwelle 24a als Wellenabschnitt, einen ersten Stützabschnitt 24b, einen zweiten Stützabschnitt 24c und einen dritten Stützabschnitt 24d als Druckring. Die Drehwelle 24a hat einen ersten Endabschnitt 24e als ein an das Verdichtergehäuse 13 angrenzendes Ende und einen zweiten Endabschnitt 24f als ein an das Turbinengehäuse 14 angrenzendes Ende. Der erste Stützabschnitt 24b ist in einem Teil einer äußeren Umfangsfläche 240a der Drehwelle 24a neben dem ersten Endabschnitt 24e ausgebildet und in dem zylindrischen ersten Lagerhalterungsabschnitt 20 angeordnet. Der erste Stützabschnitt 24b ist einstückig mit der Drehwelle 24a ausgebildet und ragt von der äußeren Umfangsfläche 240a der Drehwelle 24a ringförmig ab.
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Die Drehwelle 24a, der erste Stützabschnitt 24b, der zweite Stützabschnitt 24c und der dritte Stützabschnitt 24d des Rotationselements 24 sind jeweils aus einer Titanlegierung hergestellt.
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Der zweite Stützabschnitt 24c ist in einem Teil der äußeren Umfangsfläche 240a der Drehwelle 24a angrenzend an den zweiten Endabschnitt 24f ausgebildet und in dem zylindrischen zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22 angeordnet. Der zweite Stützabschnitt 24c hat eine zylindrische Form, so dass der zweite Stützabschnitt 24c von der äußeren Umfangsfläche 240a der Drehwelle 24a vorsteht, um eine Ringform zu haben, und an der äußeren Umfangsfläche 240a der Drehwelle 24a befestigt ist. Der zweite Stützabschnitt 24c ist zusammen mit der Drehwelle 24a drehbar.
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Der dritte Stützabschnitt 24d ist in der Axiallageraufnahmekammer S2 angeordnet. Der dritte Stützabschnitt 24d hat die Form einer Scheibe, so dass sich der dritte Stützabschnitt 24d von der äußeren Umfangsfläche 240a der Drehwelle 24a erstreckt, so dass er eine Ringform hat, und an der äußeren Umfangsfläche 240a der Drehwelle 24a befestigt ist. Der dritte Stützabschnitt 24d ist zusammen mit der Drehwelle 24a drehbar. Der dritte Stützabschnitt 24d ist in der axialen Richtung des Rotationselements 24 vom Elektromotor 18 entfernt angeordnet. In der folgenden Beschreibung bezeichnet die axiale Richtung die axiale Richtung des Rotationselements 24.
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Ein erstes Schaufelrad 25, das als das Betriebsteil der vorliegenden Erfindung dient, ist mit dem ersten Endabschnitt 24e der Drehwelle 24a verbunden. Das erste Schaufelrad 25 ist näher an dem ersten Endabschnitt 24e angeordnet als an dem dritten Stützabschnitt 24d der Drehwelle 24a. Das erste Schaufelrad 25 ist in der ersten Schaufelradkammer 13b untergebracht. Ein zweites Schaufelrad 26 ist mit dem zweiten Endabschnitt 24f der Drehwelle 24a verbunden. Das zweite Schaufelrad 26 ist näher an dem zweiten Endabschnitt 24f als an dem zweiten Stützabschnitt 24c der Drehwelle 24a angeordnet. Das zweite Schaufelrad 26 ist in der zweiten Schaufelradkammer 14b untergebracht. Das erste Schaufelrad 25, das zweite Schaufelrad 26 und das Rotationselement 24 sind in dem Gehäuse 11 untergebracht.
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Ein erstes Dichtungselement 27 ist zwischen dem Welleneinführungsloch 16a der zweiten Platte 16 und dem Rotationselement 24 angeordnet. Das erste Dichtungselement 27 unterdrückt das Austreten von Luft aus der ersten Schaufelradkammer 13b in Richtung der Motorkammer S1. Ein zweites Dichtungselement 28 ist zwischen der Welleneinführungsöffnung 17a der dritten Platte 17 und dem Rotationselement 24 angeordnet. Das zweite Dichtungselement 28 unterdrückt das Austreten von Luft aus der zweiten Schaufelradkammer 14b in Richtung der Motorkammer S1. Das erste Dichtungselement 27 und das zweite Dichtungselement 28 sind zum Beispiel jeweils ein Dichtungsring.
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Der Elektromotor 18 umfasst einen zylindrischen Rotor 31 und einen zylindrischen Stator 32. Der Rotor 31 ist an der Drehwelle 24a befestigt. Der Stator 32 ist in dem Gehäuse 11 befestigt. Der Rotor 31 ist radial innerhalb des Stators 32 angeordnet und wird zusammen mit dem Rotationselement 24 gedreht. Der Rotor 31 umfasst einen zylindrischen Rotorkern 31 a, der an der Drehwelle 24a befestigt ist, und eine Vielzahl von Dauermagneten, die nicht gezeigt sind und im Rotorkern 31 a angeordnet sind. Der Stator 32 umgibt den Rotor 31. Der Stator 32 umfasst einen Statorkern 33 und eine Spule 34. Der Statorkern 33 hat eine zylindrische Form und ist an der inneren Umfangsfläche 121b der Umfangswand 12b des Motorgehäuses 12 befestigt. Die Spule 34 ist um den Statorkern 33 gewickelt. Die Spule 34 wird von einer Batterie (nicht gezeigt) mit Strom versorgt, so dass der Rotor 31 zusammen mit dem Rotationselement 24 gedreht wird. Der Elektromotor 18 dreht sich mit einer Drehzahl zwischen 100.000 und 1200.000 U/min.
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Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 100 als eine in einem Fahrzeug montierte Brennstoffzelle, den Turbokompressor 10, einen Zufuhrkanal L1, einen Abfuhrkanal L2 und einen verzweigten Kanal L3. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist über den Zufuhrkanal L1 mit der Entladungskammer 13c verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist außerdem über den Entladungskanal L2 mit der Ansaugkammer 14c verbunden. Vom Versorgungskanal L1 zweigt der verzweigte Kanal L3 ab, in dem ein Zwischenkühler 110 angeordnet ist. Der Zwischenkühler 110 kühlt die durch den verzweigten Kanal L3 strömende Luft.
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Wenn das Rotationselement 24 zusammen mit dem Rotor 31 gedreht wird, werden das erste Schaufelrad 25 und das zweite Schaufelrad 26 zusammen mit dem Rotationselement 24 gedreht. Luft, die durch den Einlass 13a angesaugt wurde, wird durch das erste Schaufelrad 25 in der ersten Schaufelradkammer 13b komprimiert und aus der Auslasskammer 13c durch den ersten Diffusordurchgang 13d ausgestoßen. Die aus der Auslasskammer 13c ausgestoßene Luft wird dem Brennstoffzellenstapel 100 durch den Zufuhrkanal L1 zugeführt. Die dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführte Luft wird zur Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 100 verwendet, und die verbrauchte Luft wird dann als Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 in den Auslasskanal L2 abgeleitet. Die Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 100 werden durch den Auslasskanal L2 in die Ansaugkammer 14c gesaugt. Die in die Ansaugkammer 14c gesaugten Abgase werden dann durch den zweiten Diffusorkanal 14d in die zweite Schaufelradkammer 14b abgeleitet. Das in die zweite Schaufelradkammer 14b eingeleitete Abgas treibt das zweite Schaufelrad 26 an. Das Rotationselement 24 wird durch den Elektromotor 18 und auch durch die Drehung des zweiten Schaufelrads 26 durch die Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 100 in Drehung versetzt. Das erste Schaufelrad 25, das als Betriebsteil der vorliegenden Erfindung dient, wird zusammen mit dem Rotationselement 24 gedreht, um Luft zu komprimieren und auszustoßen, die als Fluid der vorliegenden Erfindung dient. Die Abgase, die in die zweite Schaufelradkammer 14b abgeleitet werden, werden über den Auslass 14a nach außen abgeleitet.
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Der Turbokompressor 10 umfasst eine Vielzahl von Folienlagern 60, die das Rotationselement 24 so abstützen, dass das Rotationselement 24 relativ zum Gehäuse 11 drehbar ist. Die Vielzahl von Folienlagern 60 umfasst ein Paar Axialfolienlager 30 und ein Paar Radialfolienlager 40. Das Paar von Axialfolienlagern 30 stützt den dritten Stützabschnitt 24d des Rotationselements 24 in der axialen Richtung des Rotationselements 24, so dass der dritte Stützabschnitt 24d relativ zum Gehäuse 11 drehbar ist. Das Paar von Radialfolienlagern 40 stützt den ersten Stützabschnitt 24b und den zweiten Stützabschnitt 24c des Rotationselements 24 in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung des Rotationselements 24, so dass der erste Stützabschnitt 24b und der zweite Stützabschnitt 24c relativ zum Gehäuse 11 drehbar sind.
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Das Paar von Axialfolienlagern 30 ist in der Axiallageraufnahmekammer S2 angeordnet. Die Axialfolienlager 30 halten zwischen sich den dritten Stützabschnitt 24d als Druckring. Die Axialfolienlager 30 sind dem dritten Stützabschnitt 24d in axialer Richtung des Rotationselements 24 zugewandt. Eines der Axialfolienlager 30 befindet sich in Bezug auf den dritten Stützabschnitt 24d neben dem ersten Endabschnitt 24e der Drehwelle 24a. Das andere der Axialfolienlager 30 befindet sich in der Nähe des zweiten Endabschnitts 24f der Drehwelle 24a in Bezug auf den dritten Stützabschnitt 24d.
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Wie in 2 gezeigt, dient eine der gegenüberliegenden Endflächen des dritten Stützabschnitts 24d, die an den ersten Endabschnitt 24e der Drehwelle 24a angrenzt und axial von dem einen der Axialfolienlager 30 gestützt wird, als Lagerkontaktfläche 24g. Das eine der Axialfolienlager 30 hat eine Lagerfläche 60a, die dieser Lagerkontaktfläche 24g gegenüberliegt. In ähnlicher Weise dient die andere der gegenüberliegenden Endflächen des dritten Stützabschnitts 24d, der an den zweiten Endabschnitt 24f der Drehwelle 24a angrenzt und von dem anderen der Axialfolienlager 30 axial gestützt wird, ebenfalls als Lagerkontaktfläche 24g. Das andere der Axialfolienlager 30 hat auch die Lagerfläche 60a, die dieser Lagerkontaktfläche 24g gegenüberliegt.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist eines der Radialfolienlager 40 in dem ersten Lagerhalterungsabschnitt 20 und das andere der Radialfolienlager 40 in dem zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22 angeordnet. In dem ersten Lagerhalterungsabschnitt 20 ist der erste Stützabschnitt 24b des Rotationselements 24 durch das eine der Radialfolienlager 40 drehbar gelagert. Der erste Stützabschnitt 24b hat eine äußere Umfangsfläche, die auch als die Lagerkontaktfläche 24g dient, die von dem einen der Radialfolienlager 40 in der Richtung senkrecht zur axialen Richtung der Drehwelle 24a gestützt wird. Das eine der Radialfolienlager 40 hat auch die Lagerfläche 60a, die der Lagerkontaktfläche 24g des ersten Stützabschnitts 24b gegenüberliegt. In ähnlicher Weise wird in dem zweiten Lagerhalterungsabschnitt 22 der zweite Stützabschnitt 24c des Rotationselements 24 durch das andere der Radialfolienlager 40 drehbar gelagert. Der zweite Stützabschnitt 24c hat eine äußere Umfangsfläche, die als die Lagerkontaktfläche 24g dient, die von dem anderen der Radialfolienlager 40 in der Richtung senkrecht zur axialen Richtung der Drehwelle 24a gestützt wird. Das andere der Radialfolienlager 40 hat auch die Lagerfläche 60a, die der Lagerkontaktfläche 24g des zweiten Stützabschnitts 24c gegenüberliegt.
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Wie in 4 gezeigt, weist die Lagerfläche 60a jedes Folienlagers 60, d.h. die Lagerfläche 60a jedes der Axialfolienlager 30 und die Lagerfläche 60a jedes der Radialfolienlager 40, jeweils eine Beschichtungsschicht 61 auf. Jede Beschichtungsschicht 61 ist im Wesentlichen gleich aufgebaut. Die Beschichtungsschicht 61 enthält Polyamid-Imid (PAI), das als Bindemittelharz 61 a dient, Molybdändisulfid (MoS2), das als Festschmierstoff 61b dient, und Polytetrafluorethylen (PTFE), das als Festschmierstoff dient. In der Beschichtungsschicht 61 werden Molybdändisulfid als Festschmierstoff 61b und Polytetrafluorethylen dem Polyamid-Imid als Bindemittelharz 61a in einem bestimmten Verhältnis zugesetzt. Die Beschichtungsschicht 61 wird durch Mittel wie Beschichtung mit Spray, einem Pinsel, einem Messer, einem Applikator oder Siebdruck hergestellt. Die Beschichtungsschicht 61 wird vor oder nach der Bildung des Folienlagers 60 gebildet. Die Beschichtungsschicht 61 ist nicht unbedingt geerdet.
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Die Grundkonfigurationen der Axialfolienlager 30 und der Radialfolienlager 40 sind nicht auf eine bestimmte Konfiguration beschränkt und können eine Grundkonfiguration eines gewöhnlichen Fluidlagers annehmen. Wenn das Rotationselement 24 mit einer niedrigen Geschwindigkeit rotiert, bis die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationselements 24 eine schwimmende Rotationsgeschwindigkeit erreicht, wird das Rotationselement 24 von jedem der Axialfolienlager 30 und den radialen Folienlagern 40 der Folienlager 60 getragen, wobei die Lagerfläche 60a die Lagerkontaktfläche 24g berührt. Wenn sich das Rotationselement 24 mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, nachdem die Drehgeschwindigkeit des Rotationselements 24 die schwimmende Drehgeschwindigkeit erreicht hat, wird das Rotationselement 24 durch einen Flüssigkeitsfilm gestützt, der in einem Lagerspalt 60b zwischen der Lagerfläche 60a und der Lagerkontaktfläche 24g erzeugt wird, ohne dass die Lagerfläche 60a die Lagerkontaktfläche 24g berührt.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt, weist das Gehäuse 11 einen Kühlkanal 50 auf. Durch den Kühlkanal 50 strömt Luft, die als Fluid im Sinne der vorliegenden Erfindung dient. Der Kühlkanal 50 ist durch die zweite Platte 16, die erste Platte 15, das Motorgehäuse 12 und die dritte Platte 17 gebildet. Der Kühlkanal 50 umfasst einen ersten Durchgang 51 und einen zweiten Durchgang 52.
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Der erste Durchgang 51 ist in der zweiten Platte 16 ausgebildet. Der erste Durchgang 51 hat einen Einlass 51a, der in einer Seitenwandfläche der zweiten Platte 16 ausgebildet ist. Der Einlass 51a des ersten Kanals 51 ist über den verzweigten Kanal L3 mit dem Zufuhrkanal L1 verbunden. Der erste Kanal 51 steht über die Axiallageraufnahmekammer S2 und das eine der Radialfolienlager 40 mit der Motorkammer S1 in Verbindung.
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Der zweite Durchgang 52 ist in der dritten Platte 17 ausgebildet. Der zweite Durchgang 52 hat einen Auslass 52a, der in einer Seitenfläche der dritten Platte 17 ausgebildet ist. Der zweite Kanal 52 steht über das andere der Folienradiallager 40 mit der Motorkammer S1 in Verbindung.
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Die durch den Zufuhrkanal L1 in Richtung des Brennstoffzellenstapels 100 strömende Luft strömt teilweise durch den verzweigten Kanal L3 in den ersten Kanal 51. Die Luft im ersten Kanal 51 wurde durch den Ladeluftkühler 110 gekühlt, während sie durch den verzweigten Kanal L3 strömte. Die gekühlte Luft im ersten Kanal 51 strömt in die Axiallageraufnahmekammer S2.
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Die gekühlte Luft in der Axiallageraufnahmekammer S2 strömt von der inneren Umfangsseite in Richtung der äußeren Umfangsseite hauptsächlich durch das eine der Axialfolienlager 30. Die gekühlte Luft strömt radial außerhalb des dritten Stützabschnitts 24d und strömt von der äußeren Umfangsseite in Richtung der inneren Umfangsseite hauptsächlich durch das andere der Axialfolienlager 30.
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Die gekühlte Luft strömt durch die Axiallageraufnahmekammer S2 und strömt dann durch das eine der Radialfolienlager 40 in die Motorkammer S1. Die Luft in der Motorkammer S1 strömt beispielsweise durch einen Spalt zwischen dem Rotor 31 und dem Stator 32, und die Luft strömt dann durch das andere der Radialfolienlager 40 in den zweiten Kanal 52 und wird aus dem Auslass 52a abgeleitet.
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Dementsprechend strömt die gekühlte Luft durch den Kühlkanal 50, um den Elektromotor 18, das Paar der Axialfolienlager 30 und das Paar der Radialfolienlager 40 direkt zu kühlen.
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In diesem Turbokompressor 10 ist die Beschichtungsschicht 61 auf der Lagerfläche 60a jedes Folienlagers 60 ausgebildet. In der Beschichtungsschicht 61 ist eine vorbestimmte Menge Molybdändisulfid als Festschmierstoff 61b dem Polyamid-Imid als Bindemittelharz 61a zugesetzt. Dementsprechend ist eine vorbestimmte Menge Molybdändisulfid in Polyamid-Imid an der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 dispergiert.
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Polyamid-Imid als Bindemittelharz 61a hat eine hohe Härte und eine hohe Verschleißfestigkeit. Polyamid-Imid hat außerdem eine hohe Zähigkeit und eine hohe Viskosität. Dementsprechend wird, wenn die vorbestimmte Menge des Festschmierstoffs nicht in der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 vorhanden ist, ein Transferpartikel (Abriebpulver) aus Polyamid-Imid durch anfänglichen Verschleiß aufgrund des Gleitens der Beschichtungsschicht 61 auf einem Gegenstück weitgehend von der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 übertragen. Dadurch wird die Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 weitgehend aufgeraut, wodurch sich die Oberflächenrauheit der Beschichtungsschicht 61 nach dem Anfangsverschleiß erhöht. Dadurch wird die Obergrenze der Dicke des Flüssigkeitsfilms im Folienlager 60 angehoben. Das heißt, es erhöht sich die Dicke des Flüssigkeitsfilms im Übergang von der Kontaktabstützung des Rotationselements 24 durch das Folienlager 60 zur berührungslosen Abstützung des Rotationselements 24 durch das Folienlager 60, d.h. die Dicke des Flüssigkeitsfilms bei der Schwimmdrehzahl, bei der das Rotationselement 24 vom Folienlager 60 abschwimmt, wodurch die Schwimmfähigkeit des Folienlagers 60 abnimmt. Die Abnahme der Schwimmfähigkeit des Folienlagers 60 erhöht die Möglichkeit des Verschleißes der Beschichtungsschicht 61 durch Gleiten der Beschichtungsschicht 61 auf dem Gegenstück, wodurch sich die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 61 verringert.
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In diesem Zusammenhang ist in der Beschichtungsschicht 61 dieses Turbokompressors 10 eine vorbestimmte Menge an Molybdändisulfid in Polyamid-Imid dispergiert. Molybdändisulfid ist ein schichtförmiger Festschmierstoff, der eine Kristallstruktur aufweist, bei der eine Mo-Schicht von S-Schichten umschlossen wird. Durch das Gleiten von Molybdändisulfid auf dem Gegenstück kommt es zu einem leichten Gleiten zwischen den S-Schichten, die nur schwach aneinander gebunden sind, so dass Molybdändisulfid eine geringe Reibung aufweist. Außerdem werden durch das Gleiten von Molybdändisulfid Mikrovorsprünge auf der Oberfläche des Gegenstücks zerkleinert und/oder abgeschliffen oder Rillen auf der Oberfläche durch anfängliche Abnutzung verringert, wodurch sich frühzeitig eine relativ glatte Oberfläche bildet. Dementsprechend verringert die Dispersion von Molybdändisulfid in der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 den Gleitwiderstand.
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Außerdem hat Molybdändisulfid eine geringere Zähigkeit und höhere Härte als Polyamid-Imid. Dementsprechend wird, wie in 5 gezeigt, beim anfänglichen Verschleiß ein Transferpartikel 61 c aus Polyamid-Imid von der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 übertragen, und Molybdändisulfid, das härter ist als Polyamid-Imid, schneidet das Transferpartikel 61c. Das heißt, Molybdändisulfid fraktioniert das Transferteilchen 61c aus Polyamid-Imid. Dadurch verringert sich die Größe des Transferpartikels 61c aus Polyamid-Imid während des anfänglichen Verschleißes. Die Verringerung der Größe des Polyamid-Imid-Transferpartikels 61c verhindert, dass die Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 weitgehend aufgeraut wird, wodurch eine Zunahme der Oberflächenrauheit der Beschichtungsschicht 61 unterdrückt wird.
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Die Oberflächenglätte der Beschichtungsschicht 61 wird nach anfänglichem Verschleiß auf diese Weise verbessert. Dies ermöglicht eine Absenkung der Obergrenze der Dicke des Flüssigkeitsfilms im Folienlager 60, wodurch die Schwimmfähigkeit des Folienlagers 60 erhöht wird. Die Erhöhung der Schwimmfähigkeit des Folienlagers 60 verringert die Zeit des Gleitens der Beschichtungsschicht 61 auf dem Gegenstück, wodurch die Möglichkeit des Verschleißes der Beschichtungsschicht 61 aufgrund des Gleitens verringert und die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 61 erhöht wird.
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Dementsprechend ist der Turbokompressor 10 in der Lage, die Haltbarkeit der Beschichtungsschicht 61 auf der Lagerfläche 60a des Folienlagers 60 zu erhöhen, um die Lebensdauer des Folienlagers 60 zu verlängern.
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Darüber hinaus enthält die Beschichtungsschicht 61 dieses Turbokompressors 10 Polytetrafluorethylen, das als Festschmierstoff dient. Wenn Polytetrafluorethylen in der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 vorhanden ist, haftet ein Transferpartikel aus Polytetrafluorethylen durch anfängliche Abnutzung aufgrund des Gleitens auf dem Gegenstück an dem Gegenstück, um eine Beschichtung auf dem Gegenstück zu bilden. Die Polytetrafluorethylenbeschichtung ermöglicht ein leichtes Gleiten und eine geringe Reibung, wodurch die Aggressivität des Gegenstücks gegenüber der Beschichtungsschicht 61 verringert wird. Dies unterdrückt die Übertragung des Transferpartikels aus Polyamid-Imid und Molybdändisulfid von der Beschichtungsschicht 61. Dadurch wird die Verschleißtiefe in der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 verringert.
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Eine Turbofluidmaschine, wie der Turbokompressor 10, zum Komprimieren und Abgeben von Luft an den Brennstoffzellenstapel 100 als in einem Fahrzeug eingebaute Brennstoffzellen, muss eine Motordrehzahl von 100.000 U/min oder mehr haben, um eine kleine Größe und die Fähigkeit zu haben, Gas mit einer großen Durchflussrate zu transportieren. Außerdem ist eine solche Turbofluidmaschine vorzugsweise eine elektrische Turbofluidmaschine, die in der Lage ist, die Drehzahl in Abhängigkeit von der für den Brennstoffzellenstapel 100 erforderlichen Energieerzeugung zu verändern. Wenn der Elektromotor 18 gestoppt wird, während der Elektromotor 18 mit einer Drehzahl von 100.000 U/min oder mehr rotiert, wirkt die Trägheit des Ansauggases auf das Rotationselement 24 und kann die Lagerkontaktfläche 24g des Rotationselements 24 mit der Lagerfläche 60a des Folienlagers 60 mit hoher Last in Kontakt bringen. Die hohe Kontaktbelastung bewirkt, dass die Transferpartikel (Abriebpulver) aus Polyamid-Imid weitgehend von der Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 abgetragen werden, wodurch die Oberfläche der Beschichtungsschicht 61 weitgehend aufgeraut wird. Dementsprechend kann die Beschichtungsschicht 61 nach dem Verschleiß eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit aufweisen.
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In dieser Hinsicht ist die Beschichtungsschicht 61 dieses Turbokompressors 10 in der Lage, seine Oberflächenrauhigkeit zu verringern.
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<Fiktions- und Verschleißtest>
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Die in Tabelle 1 gezeigten Prüfmuster Nr. 1 bis 5 wurden für die Prüfung vorbereitet. Das Substrat jeder der Testproben Nr. 1 bis 5 bestand aus rostfreiem Stahl, und auf einer Oberfläche jedes Substrats wurde eine Beschichtung gebildet. Molybdändisulfid als Festschmierstoff wurde in dem in Tabelle 1 angegebenen Verhältnis zu Polyamid-Imid als Bindemittelharz hinzugefügt, um die Beschichtung zu bilden. Wie in Tabelle 1 gezeigt, betrug das Massenverhältnis von Molybdändisulfid zu Polyamid-Imid in der Testprobe Nr. 2 0,42 und das Massenverhältnis von Molybdändisulfid zu Polyamid-Imid in der Testprobe Nr. 5 1,27. Die Massenverhältnisse der anderen Prüfmuster sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt. [Tabelle 1]
| | MoS2 (Massenverhältnis zu PAI) |
| Prüfmuster Nr. 1 | 0 |
| Prüfmuster Nr. 2 | 0,42 |
| Prüfmuster Nr. 3 | 0,55 |
| Prüfmuster Nr. 4 | 1,14 |
| Prüfmuster Nr. 5 | 1,27 |
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Bei den Prüfmustern Nr. 1 bis 5 wird als Harzbindemittel 61a ein härteres und zäheres Polyamid-Imid verwendet. Die Beschichtungsschicht 61 der Prüfmuster Nr. 1, 2, 4 und 5 hat eine Vickershärte von 20 MHV oder mehr. In jedem der Prüfmuster Nr. 1 bis 5 beträgt der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Molybdändisulfids 1,6 µm.
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Die Prüfmuster Nr. 1 bis 5 wurden im Block-auf-Ring-Verschleißtest unter den nachstehenden Prüfbedingungen getestet. Bei dem Test diente ein Block 72 als jede der Testproben Nr. 1 bis 5. Wie in 6 gezeigt, wurde ein Ring 71, der als Gegenstück zum Block 72 diente, auf dem Block 72 gedreht, so dass die Beschichtung des Blocks 72 mit einer vorbestimmten Last auf der äußeren Umfangsfläche des Rings 71 rutschte.
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Wie in 7 gezeigt, wurde der Test in 20-Minuten-Zyklen durchgeführt, so dass die Drehzahl des Rings 71 innerhalb von fünf Sekunden von 0 U/min auf 5.000 U/min anstieg und dann innerhalb weiterer fünf Sekunden von 5.000 U/min auf 0 U/min abfiel.
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Prüfmaschine:
- UMT-3 (Bruker Corporation)
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Prüfmodus:
- Block-auf-Ring-Verschleißtest (Start-Stopp)
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Prüfmuster:
- Block: 6,2 × 10,2 × 16,5 mm
- Material: Beschichtung auf Substrat (SUS304), hergestellt durch Sprühbeschichtung, Einbrennen und Schleifen.
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Gegenstück:
- Ring: ϕ35 × 8,77 mm
- Material: Ti64
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Belastung:
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Anpressdruck:
- 0,04 MPa (Verschleißbreite: 2 mm)
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Rotationsgeschwindigkeit:
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Maximale Gleitgeschwindigkeit:
- 9,16 m/s (die Gleitgeschwindigkeit, wenn das Rotationselement vom Folienlager abschwebt)
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Zeit zum Erhöhen / Verringern der Drehzahl:
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Umgebung:
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Starttemperatur der Prüfung:
- Umgebungstemperatur (nicht kontrolliert)
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Dauer der Prüfung:
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Bemerkung:
- Gebläseluft (um Temperaturanstieg durch Gleiten zu verhindern)
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<Beziehung zwischen Molybdändisulfidgehalt und Oberflächenrauhigkeit>
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Nach der Prüfung wurde die Oberflächenrauheit der Beschichtungsschicht jedes der Prüfmuster Nr. 1 bis 5 gemessen. Insbesondere wurde die Oberflächenrauheit jeder Beschichtungsschicht entlang der Drehrichtung des Rings 71 mit einem Kontaktrauhigkeitsmessgerät unter Bedingungen gemessen, die der JIS B 0633:2001 entsprechen. Das Ergebnis ist in 8 gezeigt.
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Wie in 8 gezeigt, wies die Beschichtungsschicht des Prüfmusters Nr. 1 ohne Molybdändisulfid eine weitgehend aufgeraute Oberfläche nach dem ersten Verschleiß auf. Im Gegensatz dazu wiesen die Beschichtungsschichten der Prüfmuster Nr. 2 bis 5, die Molybdändisulfid in einem Massenverhältnis von 0,42 oder mehr zum Polyamid-Imid-Gehalt enthielten, nach dem ersten Verschleiß eine relativ glatte Oberfläche auf. Dementsprechend zeigte der Test, dass der Molybdändisulfid-Gehalt von 0,42 oder mehr im Massenverhältnis zum Polyamid-Imid-Gehalt die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung erzeugt. Ferner hat die Prüfung mit der Probe Nr. 5 gezeigt, dass der Molybdändisulfidgehalt von 1,27 oder weniger im Massenverhältnis zum Polyamid-Imid-Gehalt die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung erzeugt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung auf der Grundlage der obigen Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt und kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung modifiziert werden.
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Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsform beschränkt, obwohl die Beschichtungsschicht 61 auf der Lagerfläche 60a jedes Folienlagers 60 ausgebildet ist. Die Beschichtungsschicht 61 kann auf der Lagerkontaktfläche 24g des Gegenstücks oder sowohl auf der Lagerfläche 60a des Folienlagers 60 als auch auf der Lagerkontaktfläche 24g des Gegenstücks ausgebildet sein.
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Gemäß der Ausführungsform enthält die Beschichtungsschicht 61 zwar Molybdändisulfid und Polytetrafluorethylen, die jeweils als Festschmierstoff dienen, doch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Beschichtungsschicht 61 kann nur Molybdändisulfid enthalten, ohne Polytetrafluorethylen als Festschmierstoff zu enthalten, oder sie kann je nach Bedarf andere Festschmierstoffe, ein Additiv und/oder einen Füllstoff enthalten.
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Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf eine Fluidmaschine für ein Brennstoffzellensystem, wie z.B. einen Luftkompressor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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