JP2021532319A - 空気軸受、軸受ユニットおよびコンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、特にコンプレッサ（２８）の軸受ユニット（３０）のための空気軸受（３２）であって、軸（１３）を受けるための中央の開口（２２）を取り囲む外レース（１０）と、前記開口（２２）内に配置された、弾性的に変形可能なスプリングフォイル（１１）と、前記開口（２２）内に配置された上部フォイル（１２）と、を有しており、この場合、前記スプリングフォイル（１１）が前記外レース（１０）と前記上部フォイル（１２）との間に配置されている形式のものに関する。【解決手段】前記スプリングフォイル（１１）が一体的に構成された基体（３４）を有しており、前記スプリングフォイル（１１）が、第１のばね剛性を有する第１の材料領域（８１）と、第２のばね剛性を有する第２の材料領域（８２）とを備えており、この場合、前記第１の材料領域（８１）のそれぞれが前記開口（２２）の円周方向（Ｕ）で前記第２の材料領域（８２）のそれぞれに対してずらして配置されており、前記第１のばね剛性が前記第２のばね剛性よりも高い。本発明は、本発明による空気軸受（３２）と、前記空気軸受（３２）の開口（２２）内に回転可能に支承された軸（１３）とを有する軸受ユニット（３０）、および本発明による前記軸受ユニット（３０）を有する、特に燃料電池システムのためのコンプレッサにも関する。【選択図】 図１

Description

本発明は、特にコンプレッサの軸受ユニットのための空気軸受であって、軸を受けるための中央の開口を取り囲む外レースと、開口内に配置された、弾性的に変形可能なスプリングフォイルと、開口内に配置された上部フォイルと、を有しており、この場合、スプリングフォイルが外レースと上部フォイルとの間に配置されている形式のものに関する。本発明はまた、本発明による空気軸受と空気軸受の開口内に回転可能に支承された軸とを有する軸受ユニット、および本発明による軸受ユニットを有する、特に燃料電池システムのためのコンプレッサに関する。

燃料電池システムは、連続的に供給される燃料および酸化剤の化学的な反応エネルギを電気エネルギに変換し、その際に電圧を提供するガルヴァーニ電池である。燃料電池は、電気化学的なエネルギ変換器でもある。公知の燃料電池では、特に水素（Ｈ２）および酸素（Ｏ２）が、水（Ｈ２Ｏ）、電気エネルギおよび熱に変換される。電圧を高めるために、複数の燃料電池が１つの燃料電池ユニットにまとめられ、電気的に直列に接続される。

燃料電池システムは燃料電池ユニットを有しており、この燃料電池ユニットは、複数の燃料電池を有していて、アノードおよびカソードを有している。燃料としての水素は圧力ガス蓄圧器内に蓄えられ、アノードに供給される。酸化剤としての酸素を含有する空気は、好適な形式で電気的に駆動されたコンプレッサまたは圧縮機によってカソードに供給される。

この場合、この種類に属するコンプレッサは軸受ユニットを有しており、この軸受ユニットは、特に空気軸受、および空気軸受内に回転可能に支承された軸を有している。軸は、コンプレッサの運転中に、例えば毎分２０，０００回転の比較的高い回転数で回転する。

特許文献１により、燃料電池装置および圧縮機を有する自動車システム装置が公知である。燃料電池装置に空気を圧送する圧縮機は空気軸受を有しており、この空気軸受は、空気静力学的な軸受よりも低い回転数で、および空気動力学的な軸受よりも高い回転数で駆動される空気軸受を有している。

特許文献２には、流体膜ラジアル軸受が開示されている。流体膜ラジアル軸受は、内側の孔を備えたスリーブを有しており、この内側の孔内で軸が回転する。軸受はさらに、複数の可撓性のフォイルおよびフォイル支持スプリングを有しており、これらのフォイルおよびフォイル支持スプリングは、内側の孔内に配置されていて、回転する軸を取り囲む。

特許文献３により、開口を備えたインサートブシュを有し、この開口内で回転子が回転するようになっているラジアル軸受が公知である。ラジアル軸受は、開口内に配置されたスプリングフォイル部材および流体フォイル部材を有している。この場合、インサートブシュ内の開口は非円形の内側輪郭を有している。

欧州特許公開第２６００００７号明細書 米国特許第５９１５８４１号明細書 米国特許第５４２７４５５号明細書

特にコンプレッサの軸受ユニットのための空気軸受が提案される。空気軸受は、軸を受けるための中央の開口を取り囲む外レースを有している。コンプレッサの運転中、軸は、外レースに対して相対的に空気軸受の開口内で、例えば毎分２０，０００回転乃至毎分１２０，０００回転の比較的高い回転数で回転する。

空気軸受はさらに、開口内に配置された、弾性的に変形可能なスプリングフォイルを有している。空気軸受は、開口内に配置された上部フォイルも有している。この場合、スプリングフォイルは外レースと上部フォイルとの間に配置されている。コンプレッサの運転中に、支持空気ギャップは上部フォイルと開口内で回転する軸との間に位置する。つまり、外レース、スプリングフォイルおよび上部フォイルは、互いに同軸的に配置されている。

本発明によれば、スプリングフォイルは一体的に構成された基体を有している。この場合、スプリングフォイルの基体は、概ね中空円筒形に構成されているが、必ずしも回転対称的に構成されていない。この場合、スプリングフォイルの基体の壁厚は、開口の直径と比較して比較的小さい。

スプリングフォイルは、第１のばね剛性を有する第１の材料領域を備えている。スプリングフォイルは、第２のばね剛性を有する第２の材料領域も備えている。この場合、第１の材料領域のそれぞれは、開口の円周方向で第２の材料領域のそれぞれに対してずらして配置されている。

第１の材料領域の第１のばね剛性は、第２の材料領域の第２のばね剛性よりも高い。これに関連して、ばね剛性は、スプリングフォイルの基体が特に外レースに向かって移動せしめられるばね力と、この際にスプリングフォイルの基体がこうむる変位との比である。

本発明の好適な実施形態によれば、外レース内の開口が円筒形に構成され、かつ中心軸線に対して回転対称的に構成されている。この場合、ばね剛性は特に、スプリングフォイルの基体が半径方向で中心軸線から離れる方向に移動せしめられるばね力と、この際にスプリングフォイルの基体がこうむる半径方向の変位との比である。

スプリングフォイルの基体は、前述のように、必ずしも回転対称的ではない。特に、スプリングフォイルの基体は、開口の円周方向で、開口の中心軸線から様々な間隔を有する領域を有していてよい。スプリングフォイルの基体は、それぞれ開口の円周の１つの角度範囲に亘ってのみ延在する複数の部分を有してもいない。しかしながらスプリングフォイルの基体は、軸方向で互いにずらして開口内に配置された、概ね中空円筒形の複数の部分を有していてよい。

本発明の好適な実施形態によれば、開口の円周方向に、軸受領域および通気領域が設けられている。この場合、開口の中心軸線に対するスプリングフォイルの基体の間隔は、軸受領域において通気領域におけるよりも小さい。通気領域は、運転中に特に空気軸受に必要な空気を供給するために用いられる。

この場合、より高い第１のばね剛性を有する前記第１の材料領域は、軸受領域内に配置されている。より低い第２のばね剛性を有する前記第２の材料領域は、通気領域内に配置されている。

本発明の可能な実施形態によれば、第１の材料領域は押し込み変形部を有している。この場合、前記押し込み変形部は、スプリングフォイルの基体から打ち出し成形されている。好適な形式で、押し込み変形部は基体と一体的に構成されている。

本発明の別の可能な実施形態によれば、第２の材料領域は先細り箇所を有している。前記先細り箇所内で基体の壁厚が減少されている。つまり、基体の壁厚は、第２の材料領域の先細り箇所内で基体の別の箇所よりも薄い。

好適な形式で、上部フォイルは開口内で半径方向に移動可能である。開口内で回転する軸が変位すると、それによって上部フォイルは少しだけ変形されるが、半径方向に移動される。従って、スプリングフォイルは弾性的に変形される。前述のように、好適には開口の円周方向に軸受領域と通気領域とが設けられている。この場合、開口の中心軸線に対する上部フォイルの間隔は、軸受領域内で、通気領域内におけるよりも小さい。

本発明の好適な実施形態によれば、スプリングフォイルの基体に少なくとも１つの弾性的に変形可能なスプリグエレメントが取り付けられている。この場合、弾性的に変形可能なスプリングエレメントはスプリングフォイルの基体から離れる方向に突き出していて外レースに当接する。

好適には、前記スプリングエレメントは基体と一体的に構成されている。スプリングエレメントは、例えばスプリングフォイルの基体の材料を、例えば４５°乃至７５°だけ折り曲げることによって生ぜしめられる。スプリングエレメントは、スプリングフォイルの基体から接線方向に突き出していてもよい。

特にコンプレッサのための軸受ユニットも提案される。この場合、軸受ユニットは、本発明による空気軸受、および空気軸受の開口内で回転可能に支承された軸を有している。

特に燃料電池システムのためのコンプレッサも提案される。この場合、コンプレッサは本発明による軸受ユニットを有している。

本発明は、空気軸受において、回転する軸を受ける開口の円周に沿ってスプリングフォイルの剛性の最適な配分が可能である。これによって、軸は好適には安定的にかつ頑丈にガイドされ、支承され得る。上述のスプリングフォイルの剛性の最適な配分は、本発明によれば、例えば相応の材料領域の打ち出し加工、成形または圧延によって、比較的簡単かつ安価に得られる。前記作業工程によって、スプリングフォイルの剛性をすべての材料領域において適切に制御することができる。本発明によれば好適には、本発明による空気軸受および空気軸受内で回転する軸を有する軸受ユニットの製造も可能であり、また特に本発明による軸受ユニットを有する燃料電池システムのためのコンプレッサの製造も可能である。この場合、軸は、比較的高い回転数で、少なくとも概ね摩耗なしに本発明による空気軸受内で回転することができる。

軸受ユニットの断面図である。 図１に示したスプリングフォイルの第１の材料領域の拡大図である。 図１に示したスプリングフォイルの第２の材料領域の拡大図である。 燃料電池システムの概略図である。

本発明の実施例を図面および以下の説明を用いて詳しく説明する。

本発明の実施例の以下の説明中、同じまたは類似の構成要素には同じ符号が付けられており、この場合、個々のケースにおけるこれらの構成要素の繰り返しの説明は省かれる。図面は、本発明の対象を概略的に示すだけである。

図１は、軸受ユニット３０の断面図を示し、この軸受ユニット３０は、空気軸受３２およびこの空気軸受３２に対して相対的に回転可能な軸１３を有している。この場合、軸１３はここでは円筒形に構成されている。軸受ユニット３０は、例えば燃料電池システム７０のためのコンプレッサ２８内で挿入するために用いられる。

空気軸受３２は外レース１０を有しており、この外レース１０は、中央の開口２２を取り囲んでいる。開口２２は、軸１３を受けるために用いられる。開口２２は、ここでは円筒形に構成されていて、中心軸線Ｍに対して回転対称的である。開口２２は、円形とは異なる横断面を有している。ここに示された図では、切断面は中心軸線Ｍに対して直角である。

中心軸線Ｍに沿った方向が軸方向と呼ばれる。中心軸線Ｍに対して直角に位置していて、中心軸線Ｍから外レース１０に向かう方向が半径方向Ｒと呼ばれる。開口２２の中心軸線Ｍを環状に取り囲む方向が円周方向Ｕと呼ばれる。軸方向と半径方向Ｒと円周方向Ｕとが、円柱座標系を形成する。

開口２２の円周方向Ｕで交互に、軸受領域１５および通気領域１６が設けられている。通気領域１６は、空気軸受３２に運転中に必要な空気を供給するために用いられる。ここでは３つの軸受領域１５が設けられており、これらの軸受領域１５は互いに１２０°ずらして配置されている。ここでは３つの通気領域１６も設けられており、これらの通気領域１６は互いに１２０°ずらして配置されている。軸受領域１５はそれぞれ隣接する通気領域１６に対してそれぞれ概ね６０°ずらして配置されている。

軸受ユニット３０の空気軸受３２は、弾性的に変形可能なスプリングフォイル１１と、開口２２内で半径方向Ｒに移動可能な上部フォイル１２とを有している。この場合、スプリングフォイル１１と上部フォイル１２とは、開口２２内で軸１３と外レース１０との間に配置されている。スプリングフォイル１１は外レース１０と上部フォイル１２との間に配置されている。つまり、軸１３は、上部フォイル１２、スプリングフォイル１１および外レース１０によって同軸的に取り囲まれている。

この場合、通気領域１６内で、スプリングフォイル１１と上部フォイル１２とは、軸受領域１５内におけるよりも大きく中心軸線Ｍから間隔を保っている。軸受ユニット３０の運転中に、回転する軸１３は支持空気ギャップ１８によって取り囲まれている。通気領域１６内で、支持空気ギャップ１８は軸受領域１５よりも幅広い。支持空気ギャップ１８は、回転する軸１３と停止している上部フォイル１２との間に位置している。開口２２の中心軸線Ｍに対する上部フォイル１２の間隔は、軸受領域１５内で通気領域１６内におけるよりも小さい。

スプリングフォイル１１は中空円筒形の基体３４を有しており、この基体３４はここでは非回転対称的に構成されている。スプリングフォイル１１の基体３４は、開口２２の円周方向Ｕで環状に一体的に構成されている。中心軸線Ｍに対する基体３４の間隔は、軸受領域１５内で通気領域１６内におけるよりも小さい。

スプリングフォイル１１は、第１のばね剛性を有する第１の材料領域８１と、第２のばね剛性を有する第２の材料領域８２とを有している。この場合、第１の材料領域８１は軸受領域１５内に配置されていて、第２のばね領域８２は通気領域１６内に配置されている。ここでは、これによって３つの第１の材料領域８１が設けられており、これらの第１の材料領域８１は、開口２２の円周方向Ｕで互いに１２０°ずらして配置されている。３つの第２の材料領域８２も設けられており、これらの第２の材料領域８２は、やはり開口２２の周方向Ｕで互いに１２０°ずらして配置されている。第１の材料領域８１は、それぞれ隣接する第２の材料領域８２に対してそれぞれ概ね６０°だけずらして配置されている。

この場合、第１の材料領域８１の第１のばね剛性は、第２の材料領域８２の第２のばね剛性よりも高い。軸受ユニット３０の運転中、回転する軸１３を取り囲む支持空気ギャップ１８は空気剛性を有している。支持空気ギャップ１８の空気剛性は、軸１３の回転数に依存する。２０，０００回転／分と１２０，０００回転／分との間の範囲内にある、軸１３の定格回転数において、支持空気ギャップ１８の空気剛性は、第１の材料領域８１のばね剛性よりも高く、第２の材料領域８２の第２のばね剛性よりも高い。

スプリングフォイル１１の基体３４に、ここでは弾性的に変形可能なスプリングエレメント１４も取り付けられている。スプリングエレメント１４は、基体３４から突き出していて、外レース１０に当接している。スプリングエレメント１４はここでは基体３４と一体的に構成されている。スプリングフォイル１１の前記スプリングエレメント１４はここでは、通気領域１６内および軸受領域１５内に配置されている。

運転中に軸１３は回転軸線Ｄを中心にして回転する。最適な位置関係では、回転軸線Ｄは開口２２の中心軸線Ｍと整列する。軸受ユニット３０の運転中、つまり軸１３が空気軸受３２内で回転すると、軸１３は、開口２２の中心軸線Ｍに対して相対的に偏心率Ｅを有する。偏心率Ｅは、軸１３の非円形の回転を生ぜしめる。

図２は、より高い第１のばね剛性を有する、図１に示したスプリングフォイル１１の第１の材料領域８１の拡大図を示す。第１の材料領域８１は複数の押し込み変形部９１を有しており、これらの押し込み変形部９１は軸方向で互いにずらして配置されている。図１に示されたスプリングエレメント１４は、ここに図示された押し込み変形部９１に対して軸方向でずらして配置されていて、ここには図示されていない。

前記押し込み変形部９１は、スプリングフォイル１１の基体３４から打ち出し成形されており、従って基体３４と一体的に構成されている。

図３は、より低い第２のばね剛性を有する、図１に示されたスプリングフォイル１１の第２の材料領域８２の拡大図を示す。第２の材料領域８２は複数の先細り箇所９２を有しており、これらの先細り箇所９２は軸方向で互いにずらして配置されている。図１に示されたスプリングエレメント１４は、ここに図示された先細り箇所９２に対して軸方向でずらして配置されていて、ここには図示されていない。

先細り箇所９２で、スプリングフォイル１１の基体３４は、第１の材料厚さｄ１を有している。別の箇所で、スプリングフォイル１１の基体３４は第２の材料厚さｄ２を有している。第２の材料厚さｄ２は、第１の材料厚さｄ１よりも大きい。つまり、基体３４の壁厚は、先細り箇所９２内で基体３４の別の箇所に対して薄くされている。

図４は、燃料電池システム７０の概略図を示す。燃料電池システム７０は燃料電池ユニット７５を有しており、この燃料電池ユニット７５は、ここには詳しく示されていない複数の燃料電池を有している。燃料電池ユニット７５は、アノード７３およびカソード７４を有している。個別の燃料電池はそれぞれ複数の負極を有しており、これらの負極は一緒に燃料電池ユニット７５のアノード７３を形成する。個別の燃料電池はそれぞれ複数の正極を有しており、これらの正極は一緒に燃料電池ユニット７５のカソード７４を形成する。

燃料電池ユニット７５はマイナス端子７１を有しており、このマイナス端子７１はアノード７３に電気的に接続されている。同様に、燃料電池ユニット７５はプラス端子７２を有しており、このプラス端子７２はカソード７４に電気的に接続されている。燃料電池ユニット７５のマイナス端子７１とプラス端子７２との間で、燃料電池システム７０の運転中に電圧が印加される。燃料電池ユニット７５のマイナス端子７１およびプラス端子７２は、例えば自動車、特に電気自動車の図示していない車載電源網に接続されている。

燃料電池システム７０は、燃料、特に水素をアノード７３に供給するための第１の供給管路５６を有している。このために、第１の供給管路５６は圧力ガス蓄圧器３６に接続されており、この圧力ガス蓄圧器３６内に、水素が例えば３５０ｂａｒ乃至７００ｂａｒの圧力で蓄えられている。燃料電池システム７０の運転中に、水素が第１の流れ方向５１で圧力ガス蓄圧器３６から燃料電池ユニット７５のアノード７３へ流れる。燃料電池システム７０は、余剰の燃料を燃料電池ユニット７５のアノード７３から導出するための第１の導出管路５７も有している。

燃料電池システム７０はさらに、酸化剤、特に酸素を含む空気をカソード７４に供給するための第２の供給管路６６を有している。このために、第２の供給管路６６はコンプレッサ２８に接続されている。コンプレッサ２８は、エアフィルタ４０を介して空気を吸い込み、吸い込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を第２の流れ方向６１で燃料電池ユニット７５のカソード７４にガイドする。燃料電池システム７０は、カソード７４から余剰の酸化剤を導出するための第２の導出管路６７も有している。第２の導出管路６７は、電気化学反応によって燃料電池ユニット７５の燃料電池内で発生する生成水を導出するためにも用いられる。

コンプレッサ２８は、空気軸受３２によって回転可能に支承された円柱形の軸１３を備えた軸受ユニット３０を有している。この場合、軸受ユニット３０は、図２および図３に関連して図１に示されているように構成されている。コンプレッサ２８は、例えば２０，０００回転／分乃至１２０，０００回転／分の回転数での通常運転中に、コンプレッサ２８の空気軸受３２および軸受ユニット３０の空気動力学的な運転が可能となるように、設計されている。

本発明は、ここに記載された実施例およびこれらの実施例の中で強調された態様に限定されるものではない。むしろ、請求項に記載された範囲内で、専門家の取り扱いの枠内にある多くの変化例が可能である。

１０ 外レース
１１ スプリングフォイル
１２ 上部フォイル
１３ 回転可能な軸
１４ スプリングエレメント
１５ 軸受領域
１６ 通気領域
１８ 支持空気ギャップ
２２ 中央の開口
２８ コンプレッサ
３０ 軸受ユニット
３２ 空気軸受
３４ 基体
３６ 圧力ガス蓄圧器
５６ 第１の供給管路
５７ 第１の導出管路
６６ 第２の供給管路
６７ 第２の導出管路
７０ 燃料電池システム
７１ マイナス端子
７２ プラス端子
７３ アノード
７４ カソード
７５ 燃料電池ユニット
８１ 第１の材料領域
８２ 第２の材料領域
９１ 押し込み変形部
９２ 先細り箇所
ｄ１ 第１の材料厚さ
ｄ２ 第２の材料厚さ
Ｄ 回転軸線
Ｅ 偏心率
Ｍ 中心軸線
Ｒ 半径方向
Ｕ 円周方向

Claims (10)

1. 特にコンプレッサ（２８）の軸受ユニット（３０）のための空気軸受（３２）であって、軸（１３）を受けるための中央の開口（２２）を取り囲む外レース（１０）と、前記開口（２２）内に配置された、弾性的に変形可能なスプリングフォイル（１１）と、前記開口（２２）内に配置された上部フォイル（１２）と、を有しており、この場合、前記スプリングフォイル（１１）が前記外レース（１０）と前記上部フォイル（１２）との間に配置されている形式のものにおいて、
   前記スプリングフォイル（１１）が一体的に構成された基体（３４）を有しており、前記スプリングフォイル（１１）が、第１のばね剛性を有する第１の材料領域（８１）と、第２のばね剛性を有する第２の材料領域（８２）とを備えており、この場合、前記第１の材料領域（８１）のそれぞれが前記開口（２２）の円周方向（Ｕ）で前記第２の材料領域（８２）のそれぞれに対してずらして配置されており、前記第１のばね剛性が前記第２のばね剛性よりも高いことを特徴とする、空気軸受（３２）。
2. 前記開口（２２）が、円筒形に構成され、かつ中心軸線（Ｍ）に対して回転対称的に構成されていることを特徴とする、請求項１記載の空気軸受（３２）。
3. 前記開口（２２）の円周方向（Ｕ）に、軸受領域（１５）および通気領域（１６）が設けられており、この場合、前記中心軸線（Ｍ）に対する前記基体（３４）の間隔が、前記軸受領域（１５）において前記通気領域（１６）におけるよりも小さく、前記第１の材料領域（８１）が前記軸受領域（１５）内に配置されていて、前記第２の材料領域（８２）が前記通気領域（１６）内に配置されていることを特徴とする、請求項２記載の空気軸受（３２）。
4. 前記第１の材料領域（８１）が、前記基体（３４）から打ち出し成形された押し込み変形部（９１）を有していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の空気軸受（３２）。
5. 前記第２の材料領域（８２）が先細り箇所（９２）を有しており、これらの先細り箇所（９２）内で前記基体（３４）の壁厚が減少されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の空気軸受（３２）。
6. 前記上部フォイル（１２）が前記開口（２２）内で半径方向（Ｒ）に移動可能であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の空気軸受（３２）。
7. 前記基体（３４）に少なくとも１つの弾性的に変形可能なスプリグエレメント（１４）が取り付けられており、該スプリングエレメント（１４）が前記基体（３４）から離れる方向に突き出していて前記外レース（１０）に当接することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の空気軸受（３２）。
8. 前記スプリングエレメント（１４）が前記基体（３４）と一体的に構成されていることを特徴とする、請求項５記載の空気軸受（３２）。
9. 特にコンプレッサ（２８）のための軸受ユニット（３０）において、請求項１から８までのいずれか１項記載の空気軸受（３２）と、前記空気軸受（３２）の開口（２２）内に回転可能に支承された軸（１３）とを有している、軸受ユニット（３０）。
10. 特に燃料電池システム（７０）のためのコンプレッサ（２８）において、請求項９記載の軸受ユニット（３０）を有している、コンプレッサ（２８）。

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