Titel

Axial-Gaslager

Die Erfindung betrifft ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist.

Stand der Technik

Aus der amerikanischen Offenlegungsschrift US 2012/0207414 Al ist ein als Luftlager ausgeführtes Axiallager mit einer Federfolie und einer Deckfolie bekannt. Aufgrund der verwendeten Folien werden derartige Luftlager auch als Folienlager bezeichnet.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, funktionell zu verbessern.

Die Aufgabe ist bei einem Axial-Gaslager mit mindestens einem Gaslagerspalt, der zur Ausbildung eines tragenden Gasfilms zwischen einer Axiallagerscheibe und einer Stützfläche ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass die Stützfläche an einem Stützkörper aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist. Im Betrieb des Axial-Gaslagers dreht sich die Axiallagerscheibe, die zum Beispiel an einem Rotor ausgebildet ist, um eine Drehachse. Durch diese Drehbewegung wird unter Zuhilfenahme von Lagerelementen, wie Folien, in dem Gaslagerspalt eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Gasströmung erzeugt, die den tragenden Gasfilm zwischen der Axiallagerscheibe und der Stützfläche aufbaut. Das Gas für den tragenden Gasfilm wird zum Beispiel über entsprechende Öffnungen zugeführt. Die Ausführung und Anordnung dieser Öffnungen ist bekannt und hier nicht weiter erläutert. Bei dem Gas handelt es sich um Beispiel um Luft. Daher wird das Axial-Gaslager auch als Axial-Luftlager bezeichnet. Der Begriff axial bezieht sich auf die Drehachse des Rotors. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Je nach Anwendung können im Betrieb des Axial-Gaslagers große Axialkräfte und/oder hohe Drehzahlen auftreten. Durch den Stützkörper aus dem Aluminiummaterial wird auf einfache Art eine effiziente Kühlung des Axial-Gaslagers ermöglicht. Dadurch wird auch bei großen Axialkräften und hohen Drehzahlen eine fehlerfreie Funktion einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine sichergestellt. Das Aluminiummaterial hat im Vergleich zu einem bei herkömmlichen Axial- Gaslagern verwendeten Stahlmaterial eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit. So kann die im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme besser aus dem Axial-Gaslager abgeführt werden. Darüber hinaus ist das Aluminiummaterial fertigungstechnisch, zum Beispiel spanend, einfacher zu bearbeiten.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Stützkörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper mit mindestens einem Ringkörper kombiniert ist, der radial außerhalb der Axiallagerscheibe angeordnet ist. Der Ringkörper begrenzt einen Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers. In dem Aufnahmeraum, der durch den Ringkörper und den Stützkörper begrenzt wird, ist die Axiallagerscheibe des Axial-Gaslagers drehbar gelagert. Je nach Ausführung kann der Ringkörper auch mit dem Stützkörper einstückig verbunden sein.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Dadurch kann die Wärmeabfuhr der im Betrieb auftretenden Wärme aus dem Aufnahmeraum des Axial-Gaslagers weiter verbessert werden. Der Ringkörper ist zum Beispiel mit geeigneten Befestigungsmitteln an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine befestigt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Stützfläche an einem Gehäusekörper einer mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Maschine vorgesehen ist. Bei der Maschine handelt es sich zum Beispiel um einen Luftverdichter, der vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von Luft dient, die Sauerstoff enthält, der im Betrieb der Brennstoffzelle zu Wasser umgesetzt wird. Der Luftverdichter umfasst zum Beispiel ein Gehäuse aus einem Aluminiummaterial, zu dem der Gehäusekörper mit der weiteren Stützfläche gehört. So kann vorteilhaft ein zweiter Stützkörper entfallen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus einem Aluminiummaterial gebildet ist. Der Gehäusekörper ist vorzugsweise aus dem gleichen Aluminiummaterial gebildet wie der Stützkörper. Besonders vorteilhaft ist das Gehäuse des mit dem Axial-Gaslager ausgestatteten Luftverdichters insgesamt aus Aluminiummaterial gebildet.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper aus dem Aluminiummaterial zum Verschleißschutz der Stützfläche mit einer Hartstoffschicht versehen ist. Das Axial-Gaslager ist vorzugsweise als Folienlager ausgeführt. Ein solches Folienlager umfasst zum Beispiel mindestens eine Federfolie und mindestens eine Deckfolie. Die Federfolie ist zwischen der Deckfolie und der Stützfläche eingespannt. Durch die Hartstoffschicht wird ein unerwünschtes Eingraben der Federfolie in den Gehäusekörper aus dem relativ weichen Aluminiummaterial verhindert. Mit der Hartstoffschicht lassen sich vorteilhaft ähnliche Genauigkeiten wie mit Stahlbauteilen erzielen, insbesondere durch ein Überschleifen der Hartstoffschicht. Die Hartstoffschicht wird zum Beispiel durch Eloxieren auf das Aluminiummaterial aufgebracht. Alternativ kann die Hartstoffschicht aus Titannitrid gebildet sein.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Gehäusekörper eine Kühlung integriert ist. Die Kühlung umfasst zum Beispiel einen Kühlwassermantel mit Kühlkanälen, durch die ein Kühlmittel, wie Wasser, geführt wird, um im Betrieb des Axial-Gaslagers auftretende Wärme abzuführen. Durch die Verwendung des gut wärmeleitfähigen Aluminiummaterials zur Darstellung des Stützkörpers beziehungsweise von zwei Stützkörpern beziehungsweise eines Stützkörpers und des Gehäusekörpers kann die Wärme aus dem Axial-Gaslager besonders effektiv abgeführt werden.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Luftverdichter mit einem Rotor, der durch ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager gelagert ist. An dem Rotor ist die Axiallagerscheibe angebracht.

Das vorab beschriebene Axial-Gaslager wird vorzugsweise in einem Luftverdichter oder Luftkompressor zur axialen Lagerung eines Rotors verwendet. Der Luftverdichter oder Luftkompressor wiederum wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem verwendet, um ein Gas, insbesondere Luft, zu verdichten, die dann einer Brennstoffzelle zugeführt wird.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Axial-Gaslagers.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Stützkörper, einen Gehäusekörper und/oder einen Ringkörper für ein vorab beschriebenes Axial-Gaslager. Die genannten Körper sind separat handelbar. 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur la eine schematische Schnittdarstellung eines Axial-Gaslagers mit einem ersten Ausführungsbeispiel;

Figur lb die gleiche Darstellung wie in Figur la gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers;

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, wie er in Figur 2 dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102012 224052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.

Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird.

Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.

Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.

Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.

Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist.

Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden. Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.

In Figur 2 ist ein Verdichter 100 eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Der Verdichter 100 umfasst ein Gehäuse 101, in welchem ein Elektromotor 102 angeordnet ist. Der Elektromotor 102 dient zum Antrieb eines Rotors 103 des Verdichters 100.

Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Folienlagern oder Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Folienlager oder Axial-Gaslager 106.

An dem in Figur 2 linken Ende des Rotors 103 ist ein Verdichterrad 107 angebracht. Das Verdichterrad 107 dient zur Verdichtung von Luft, die in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wenn das Verdichterrad 107 über den Rotor 103 durch den Elektromotor 102 angetrieben wird.

Die Gaslager 104, 105; 106 sind als Folienlager ausgeführt und umfassen jeweils einen Gehäusekörper 108, 109; 110. Der Rotor 103 umfasst zwei Rotorabschnitte, die auch als Rotorkörper 111, 112 bezeichnet werden, mit denen der Rotor 103 in den Radial-Gaslagern 104, 105 radial gelagert ist.

Der Rotor 103 umfasst darüber hinaus einen Rotorbund, der auch als Rotorkörper 113 bezeichnet wird. Über den Rotorkörper 113 ist der Rotor 103 durch das Axial-Gaslager 106 axial in dem Gehäuse 101 gelagert. Der Rotorkörper 113 wird auch als Axiallagerscheibe bezeichnet.

In den Figuren la, lb ist ein Axial-Gaslager 30 im Schnitt schematisch dargestellt. Das Axial-Gaslager 30 ist ein Ausführungsbeispiel des in Figur 2 mit 106 bezeichneten Axial-Gaslagers. Das Axial-Gaslager 30 umfasst einen Rotor 31, der dem Rotor 103 in Figur 2 entspricht.

Der Rotor 31 umfasst einen Rotorkörper 32, der einstückig mit einer Axiallagerscheibe 33 verbunden ist. Der Rotor 31 mit dem Rotorkörper 32 und der Axiallagerscheibe 33 ist um eine Drehachse 34 drehbar, wie in den Figuren la, lb durch einen Pfeil 35 angedeutet ist.

Das Axial-Gaslager 30 ist in einen Gehäusekörper 36 eines Luftverdichters integriert, wie er zum Beispiel in Figur 2 schematisch dargestellt ist. An den Gehäusekörper 36 ist ein Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 angebaut. Das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 umfasst zwei Stützkörper 38, 39.

Zwischen den Stützkörpern 38 und 39 sind in axialer Richtung ein Ringkörper 40 und ein Zusatzringkörper 41 angeordnet. Durch eine gestrichelte Linie 50 ist mindestens ein Befestigungsmittel angedeutet, mit dem das Lagergehäuse 37 des Axial-Gaslagers 30 an den Gehäusekörper 36 angebaut ist.

Zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 48 sind eine Federfolie 53 und eine Deckfolie 54 angeordnet. Analog sind zwischen der Axiallagerscheibe 33 und der Stützfläche 49 eine Federfolie 55 und eine Deckfolie 56 angeordnet. Die Folien 53 bis 56 sind in den Figuren la, lb ebenso wie Gaslagerspalte 58, 59 nur schematisch und stark vereinfacht dargestellt. Gas, insbesondere Luft, zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 wird zum Beispiel durch Unterbrechungen oder Bohrungen in den Folien 53 bis 56 in die Gaslagerspalte 58, 59 hineingezogen. Die Gaszufuhr zur Ausbildung des tragenden Gasfilms in den Gaslagerspalten 58, 59 ist in den Figuren la, lb nicht dargestellt.

Im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 baut sich in den Gaslagerspalten 58, 59 zwischen den Deckfolien 54, 56 und der Axiallagerscheibe 33 jeweils ein tragender Gasfilm auf. Zwischen den Deckfolien 54, 56 und den Stützflächen 48, 49 sind die Federfolien 53, 54 angeordnet, die sich an den Stützkörpern 38, 39 abstützen.

Über den Zusatzringkörper 41 kann ein axialer Abstand zwischen den Stützkörpern 38, 39 und damit ein Lagerspiel des Axial-Gaslagers 30 eingestellt werden. Je nach Ausführung kann auch mindestens einer der Stützkörper 38, 39, die auch als Stützplatten bezeichnet werden, mit dem Ringkörper 40 und/oder dem Zusatzringkörper 41 zu einem Bauteil vereint werden.

Im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 baut sich in den Gaslagerspalten 58, 59 zwischen den Deckfolien 54, 56 und der Axiallagerscheibe 33 ein tragender Gasfilm auf. Unter den Deckfolien 54, 56 liegen die Federfolien 53, 55, die sich auf den Stützflächen 48, 49 abstützen.

Bei dem in Figur la dargestellten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers 30 sind die beiden Stützkörper 38, 39, die auch als Stützscheiben bezeichnet werden, aus einem Aluminiummaterial gebildet. An den Stützflächen 48, 49 sind die Stützkörper 38, 39 aus dem Aluminiummaterial mit einer Hartstoffschicht versehen, um die Stützflächen 48, 49 vor Verschleiß zu schützen. Zu diesem Zweck sind zumindest an den Kontaktstellen zwischen den Federfolien 53, 55 und den Stützkörpern 38, 39 Hartstoffschichten vorgesehen.

Der Gehäusekörper 36 ist Teil eines Verdichtergehäuses, in das eine Kühlung 60 integriert ist. Die Kühlung umfasst Kühlkanäle 61, 62, durch die ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, geführt wird. Über die Stützkörper 38, 39 aus dem Aluminiummaterial kann in Kombination mit der Wasserkühlung 16 deutlich mehr Wärme aus dem Axial-Gaslager 30 abgeführt werden, als bei herkömmlichen Axial-Gaslagern. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind auch der Ringkörper 40 und der Zusatzringkörper 41 aus einem Aluminiummaterial gebildet. Dadurch kann die Wärmeabfuhr im Betrieb des Axial-Gaslagers weiter verbessert werden.

In Figur lb ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem im Unterschied zu dem in Figur la dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Axial-Gaslagers 30 der Zusatzringkörper 41 entfällt. Darüber hinaus ist der in Figur la mit 39 bezeichnete Stützkörper in den Gehäusekörper 36 des Verdichtergehäuses integriert.

Der Gehäusekörper 36 des Verdichtergehäuses ist mit einer Kühlung 70 versehen, die Kühlkanäle 71, 72 umfasst. Durch die Kühlkanäle 71, 72 wird ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, geführt, über die das im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 entstehende Wärme abgeführt wird.

Der Kühlkanal 71 ist in der Nähe der Stützfläche 49 angeordnet. Der Kühlkanal 72 ist in der Nähe des Ringkörpers 40 angeordnet. Die Anordnung der Kühlkanäle 71, 72 kann vorteilhaft, ebenso wie die Anordnung der Kühlkanäle 61, 62 in Figur la, effektiv in die Nähe von Bereichen gelegt werden, die sich im Betrieb des Axial-Gaslagers 30 besonders stark erwärmen. Dadurch kann die Effektivität der Kühlung 60, 70 weiter verbessert werden.