Titel:

Folienaxiallager für Brennstoffzellensysteme

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Folienaxiallager für

Brennstoffzellensysteme und Brennstoffzellensysteme, welche ein solches Folienaxiallager umfassen.

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 Gasfilmes 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 Foliendicke eingestellt wird.

Stand der Technik

Aus der US 2012/0207414 Al 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.

Um bei einem Folienaxiallager eine gute Anpassung zwischen Deckfolie und Rotoroberfläche zu erreichen, muss eine Federfolie bereitgestellt werden. Zur Ausbildung dieser Federfolie, bzw. deren Federgeometrie wird diese durch einen Umformprozess im weichgeglühten Zustand mit einer anschließenden

Wärmebehandlung hergestellt. Die Herstellung des Folienaxiallagers ist dadurch aufwändig und teuer.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Folienaxiallager für Brennstoffzellensysteme bereitzustellen, welches einfacher und wirtschaftlicher herstellbar ist.

Offenbarung der Erfindung

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.

Die Erfindung gibt ein Folienaxiallager für Brennstoffzellensysteme an, wobei das Folienaxiallager eine Druckscheibe mit wenigstens einer Deckfolie, welche in Umfangsrichtung 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, wobei ein erstes Lagermittel auf einer ersten

Federfolienelementseite die Federfolienelemente randseitig an

gegenüberliegenden Rändern lagert und ein zweites Lagermittel auf einer zweiten gegenüberliegenden Federfolienelementseite die Federfolienelemente zwischen den gelagerten Rändern lagert, so dass das ebene Federfolienelement über die Lagermittel biegbar ist.

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 Federfolienelementes können somit beispielsweise 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. Das erste und das zweite Lagermittel sind dabei derart angeordnet, dass Kräfte auf

entgegengesetzten Federfolienelementseiten einleitbar sind, so dass das Federfolienelement im Sinne eines Biegebalkens beansprucht wird. Dadurch wird die federnde Wirkung bei der Biegebewegung des Federfolienelementes genutzt, um den Effekt der Federfolie zu erzielen. Vorzugsweise wird das zweite

Lagermittel dabei mittig zu den an den Ränder angeordneten ersten Lagermittel angeordnet. Das erfindungsgemäße Folienaxiallager ist dadurch einfach und wirtschaftlich herstellbar.

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.

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 Federfolienelementes 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.

Vorzugsweise weist die Druckscheibe Freischnitte auf, über welche das erste oder zweite Lagermittel ausbildbar ist. Die Druckscheibe wird dabei als strukturierte Druckscheibe hergestellt. Als Freischnitt wird eine Materialabtragung in einem bestimmten Bereich verstanden. Diese Freischnitte werde vorzugsweise durch ätzen hergestellt. Auch ist eine Herstellung durch Fräsen möglich. Dadurch ist keine zusätzliche Zwischenfolie notwendig, so dass ein solches Folienaxiallager wirtschaftlich herstellbar ist. Auch hier ist eine Federwegbegrenzung einstellbar, indem die Tiefe der Freischnitte angepasst wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erste Lagermittel durch zwei parallele Zwischenfolienstreifen gebildet, welche an der Deckfolie anliegen. Dadurch wird das für das erste Lagermittel benötigte Material reduziert, wodurch das erste Lagermittel kostengünstiger herstellbar ist. Zusätzlich wird die Anzahl an

Stützpunkten für die Deckfolie erhöht, wodurch sich höhere Tragkräfte bei geringerer Verlustleistung erzielen lassen. Durch die Dicke der beiden parallelen Zwischenfolienstreifen kann eine Federwegbegrenzung eingestellt werden. Bei einem maximalen Federweg liegt das Federfolienelement mittig an der Deckfolie an.

Vorteilhafterweise ist das zweite Lagermittel als Folienstreifen ausgebildet, welcher an der Deckfolie oder der Druckscheibe anliegt. Durch den Folienstreifen lässt sich auf einfache Weise das zweite Lagermittel ausbilden, so dass das Folienaxiallager wirtschaftlich herstellbar ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Federfolienelemente und/oder die zweiten Lagermittel über federnde Verbindungsmittel in

Radialrichtung miteinander verbunden. Die Radialrichtung ist dabei in Bezug auf die Druckscheibe zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich können diese federnden Verbindungsmittel die Federfolienelemente auch in Umfangsrichtung der Druckscheibe miteinander verbinden. Der Vorteil der federnden

Verbindungsmittel ist, dass sich die Federfolienelemente gegenseitig weniger beeinflussen und dadurch eine bessere Anpassung an eine Rotorschiefstellung und eine Rotorverformung möglich ist. Dadurch wird die Wirkung des

Folienaxiallagers verbessert. Die Form der federnden Verbindungsmittel ist dabei derart ausgestaltet, dass eine federnde flexible Bewegung möglich ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung greifen die in Umfangsrichtung angeordneten Federfolienelemente versetzt ineinander. Die Federfolienelemente einer nächsten Reihe an Federfolienelementen greifen durch die versetzte Anordnung in Freiräume der anderen Reihe ein. Dadurch können viele

Federfolienelemente platzsparend angeordnet werden.

Die Aufgabe wird zusätzlich durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, welches das erfindungsgemäße Folienaxiallager aufweist. Mit einem solchen

Brennstoffzellensystem können die zuvor genannten Vorteile erzielt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 Generelle Anordnung eines Folienaxiallagers,

Figur 2 Profilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des

Folienaxiallagers,

Figur 3 Draufsicht auf einen Teil der Federfolie nach dem ersten

Ausführungsbeispiel,

Figur 4 Profilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des

Folienaxiallagers,

Figur 5 Profilansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des

Folienaxiallagers,

Figur 6 Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers mit verschiedenen Verbindungsmitteln,

Figur 7 Verschiedene Ausführungsbeispiel zur Ausgestaltung der

Federfolienelemente, und

Figur 8 Ausführungsbeispiel einer weiteren Anordnung der

Federfolienelemente. In Figur 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 angeordneten sind. Die Deckfolien 18 sind dabei an einem Deckfolienrand 22, welcher hier in radialer Richtung der Druckscheibe 14 verläuft, mit der

Druckscheibe 14 verbunden. An den Deckfolienrand 22 anschließend, bildet die Deckfolie 18 eine Rampengeometrie 26 aus, über welche ein Abstand zwischen Druckscheibe 14 und Deckfolie 18 gebildet wird. In Figur 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.

Figur 2 zeigt eine Profilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des

Folienaxiallager 10. In dieser Figur ist dabei ein Schnitt in einer Umfangsrichtung des Folienaxiallagers 10 gezeigt. Diese Figur zeigt dabei einen durch eine Schleppströmung und die Rampengeometrie 26 der Deckfolie 18 sich ausbildenden Gasfilm 38 zwischen Rotor 34 und Deckfolie 18. Über den Gasfilm 38 werden die Axialkräfte des Rotors 34 getragen. In diesem

Ausführungsbeispiel ist die Federfolie 30 durch ebene Federfolienelemente 42 ausgebildet. Die Federfolienelemente 42 werden über Lagermittel, welche durch ein erstes Lagermittel 46 und ein zweites Lagermittel 50 gebildet sind, zu der Druckscheibe 14 und der Deckfolie 18 gelagert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Lagermittel 46 zwischen Druckscheibe 14 und dem

Federfolienelement 42 angeordnet. Das erste Lagermittel 46, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Zwischenfolie 46a ausgebildet ist, formt dabei

Aussparung 58 im Bereich der Federfolienelemente 42 aus, so dass das Federfolienelement 42 an zwei gegenüberliegenden Ränder 62 auf einer ersten Federfolienelementseite 66 gelagert ist.

Auf einer der ersten Federfolienelementseite 66 gegenüberliegenden zweiten Federfolienelementseite 70 ist das zweite Lagermittel 50 angeordnet. Das zweite Lagermittel 50 ist dabei in Form eines Folienstreifens 50a ausgebildet, welcher an der Deckfolie 18 anliegt. Dieser Folienstreifen 50a ist auf der zweiten Federfolienelementseite 70 zwischen den gelagerten Rändern 62 des ebenen Federfolienelementes 42 positioniert. Durch die Anordnung der Lagermittel 46,

50 und der Aussparung ist eine federnde Biegebewegung des

Federfolienelementes 42 in die Aussparung 58 möglich.

In Figur 3 ist eine Draufsicht auf einen Teil der Federfolie 30 nach dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. In dieser Figur sind mehrere Federfolienelemente 42 gezeigt. Die Federfolienelemente 42 haben in diesem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Form. Die Federfolienelemente 42 sind über Stege 78 (siehe Figur 7 oder 8), welche unterhalb des Folienstreifens 50a des zweiten

Lagermittels 50 angeordnet sind, miteinander verbunden.

Figur 4 zeigt eine Profilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des

Folienaxiallagers 10. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegen die ersten

Lagermittel 46 an der Deckfolie 18 an währenddessen das zweite Lagermittel 50 an der Druckscheibe 14 anliegt. Zusätzlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind die ersten Lagermittel 46 als Zwischenfolienstreifen 46b ausgebildet.

Dadurch wird das Material für das erste Lagermittel 46 reduziert. Die

Zwischenfolienstreifen 46b sind dabei ebenso wie die Folienstreifen 50a des zweiten Lagermittels 50 durchgängig über mehrere Federfolienelemente 42 ausgebildet.

In Figur 5 ist eine Profilansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des

Folienaxiallagers 10 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Lagermittel 46 durch die Druckscheibe 14 gebildet. Dazu wird ein Freischnitt 82 im Bereich der Federfolienelemente 42 angeordnet, so dass die

Federfolienelemente 42 an den gegenüberliegenden Rändern 62 auf der Druckscheibe 14 aufliegen. Dadurch ist eine Biegebewegung in den Bereich des Freischnittes 82 möglich. Diese Biegebewegung ist in dieser Figur gestrichelt dargestellt. Das zweite Lagermittel 50 ist in diesem Ausführungsbeispiel wie bereits zu dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, ebenso als Folienstreifen 50a ausgebildet.

Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Folienaxiallagers 10 mit verschiedenen Verbindungsmitteln 86. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsmittel 86 in einem zu dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlichen Aufbau gezeigt. Die Verbindungsmittel 86 verbinden die Federfolienelemente 42 dabei in einer Radialrichtung. Die Federfolienelemente 42 können dabei an den Rändern 62 mit den federnden Verbindungsmitteln 86 verbunden sein. Dies ist hier beispielhaft an manchen Ränder 62 gezeigt. Ebenso können die

Folienstreifen 50a des zweiten Lagermittels 50, welche hier nicht durchgängig sind, über die federnden Verbindungsmittel 86 verbunden sein. In einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die Verbindungsmittel 86 die Federfolienelemente 42 ebenso in einer Umfangsrichtung verbinden.

Figur 7 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiel zur Ausgestaltung der

Federfolienelemente 42. Die Teilfigur a. zeigt eine rechteckige Form der Federfolienelemente 42. Dieses Ausführungsbeispiel, ist bereits in den Figuren 2 bis 6 gezeigt. Teilfigur b. zeigt eine weitere Form der Federfolienelemente 42. Das Federfolienelement 42 in Teilfigur c. ist durch mehrere rechteckige miteinander verbundene Formen gebildet. In Teilfigur d. ist das

Federfolienelement 42 in Form einer Raute ausgebildet, wobei zwei

gegenüberliegende Enden 90 stumpf ausgeführt sind. In allen Teilfiguren weisen die Federfolienelemente 42 die Stege 78 auf, mit welchen das

Federfolienelemente 42 mit einem benachbarten Federfolienelement 42 verbunden ist.

In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer weiteren Anordnung der

Federfolienelemente 42 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel haben die Federfolienelemente 42 die in der Figur 7 Teilfigur d. gezeigt Form. Die Figur 8 zeigt beispielhaft zwei Reihen 94 von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Federfolienelementen 42. Die beiden Reihen 94 sind dabei versetzt angeordnet, so dass die Federfolienelemente 42 der einen Reihe 94 in Lücken der Federfolienelemente 42 der anderen Reihe 94 greifen können. Zwischen dem beiden Reihen 94 von Federfolienelementen 42 wird dabei ein Freiraum 98 gebildet. Eine solche Anordnung der Federfolienelemente 42 ist ebenso mit den anderen in Figur 7 gezeigten Formen möglich.

In weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann das Federfolienelement 42 an lediglich einem der Ränder 62 gelagert sein. An diesem Rand 62 kann das Federfolienelement 42 beispielsweise angelötet oder angeschweißt sein. Der Folienstreifen 50a liegt dann auf einem freien Ende des Federfolienelementes 42 auf. Dadurch wird eine Biegebewegung des Federfolienelementes 42 in eine Aussparung 58 oder in einen Freischnitt 82 ermöglicht.