CN108425847B - 一种自动换向摆动气缸式气体循环泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动换向摆动气缸式启动循环泵，包括缸径不同的两个摆动叶片式气缸，两个气缸的叶片同步旋转摆动；大、小叶片同角度设置，将各自气缸分为两个扇形腔体；小气缸集成设有换向阀，大气缸集成设有换向阀或整流阀，大气缸对外设有大气缸进气口、大气缸排气口，小气缸对外设有小气缸进气口、小气缸排气口；小气缸进气口与高压氢气源连通，小气缸与大气缸出气口合并后与电堆进氢口上游的稳压阀连接，大气缸进气口与电堆的排氢口连接。本发明可以实现在不消耗额外能量的情况下驱动氢气在电堆内循环流动，在叶片行程末气体换向机构不需要电磁驱动，整个系统为纯机械式结构简单可靠，结构紧凑轻巧,整个循环泵系统对外不需要动密封。

Description

一种自动换向摆动气缸式气体循环泵

技术领域

本发明涉及一种气动循环泵，具体来说，是一种自动换向摆动气缸式气体循环泵。

背景技术

质子交换膜燃料发动机系统是一种发电装置，它通过电化学反应将燃料(通常是氢气或甲醇)中的化学能直接转换成电能。与传统的发电装置不同，它不需将燃料中的化学能先转换成热能，然后再转换成电能。因此，与传统的发电装置相比燃料电池具有能量转换效率高，污染物排放少的显著优点。

为了保证质子传导膜燃料电池系统(简称PEMFCS)持续正常工作，需要及时将凝结于电堆阳极界面的液态水和杂质气体排出。现有的PEMFCS通常采取间歇排氢或电动气泵驱动的办法来实现电堆内的氢气流动，从而让流动的氢气将水和杂质气体带出电堆外。对于燃料电池汽车而言，电堆向外排氢气既浪费燃料损失的H2燃料多达5％，又有安全隐患，还会造成电堆内部压力波动，影响膜电极的使用寿命；以电动气泵来实现氢气循环流动则需要消耗电能，同时还会产生难以消除的噪声和震动，影响整车燃料经济性、安全性、舒适性。目前不消耗额外能源的氢循环泵主要有文丘里管式和往复活塞式循环泵。其中往复活塞式气动循环泵相比文丘里管式循环泵能在更宽的工况范围内实现较高的氢气循环效率，特别是低载工况下的循环效率。

现有的往复活塞式启动循环泵，换向阀必须设置在气缸外部，换向阀对外密封的要求较高、难度较大，结构复杂；需要外部电源(电磁线圈驱动阀芯)，活塞的惯性力较大，运行平稳性有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动换向摆动气缸式气体循环泵，将换向阀集成在气缸内部、摒弃电磁线圈驱动阀芯的方案采用永磁体，彻底摆脱对外电力的依赖，结构高度集成，并且将换向阀集成在气缸内部可大大降低换向阀对外的密封要求。使整个循环泵系统中所有的运动件对外均无密封要求，整个系统对外只存在静密封。

本发明采取以下技术方案：

一种自动换向摆动气缸式启动循环泵，包括缸径不同的两个摆动叶片式气缸，两个气缸的叶片同步旋转摆动；大气缸的转动轴上设有大叶片3、小气缸的转动轴上设有小叶片4，大、小叶片同角度设置，将各自气缸分为两个扇形腔体；所述小气缸集成设有换向阀，大气缸集成设有换向阀或整流阀，大气缸对外设有大气缸进气口8、大气缸排气口9，小气缸对外设有小气缸进气口10、小气缸排气口11；所述小气缸进气口10与高压氢气源连通，小气缸与大气缸出气口合并后与电堆进氢口上游的稳压阀连接，大气缸进气口8与电堆的排氢口连接。

进一步的，所述两位四通换向阀集成在气缸内部，阀芯位设有铁磁性材料，大小叶片上均固定设有永磁体5，当叶片摆动到行程末时叶片上的永磁体将阀芯吸引至下一个工作位置，使叶片两边的气流作用方向反转。

进一步的，所述换向阀采用两位四通换向阀或两位五通换向阀，采用两位五通换向阀时，所述大、小气缸上对应的气孔数量为3个。

再进一步的，所述大、小气缸各设有1个扇形隔离块，扇形隔离块与大、小叶片一起将各自气缸分为两个扇形腔体；所述扇形隔离块同时作为与换向阀阀芯配合的阀体。

更进一步的，所述扇形隔离块共有6个通气孔，所有通气孔均与中间的阀芯孔相同，阀芯孔两端开设有安装挡圈的阀芯挡圈孔609，在扇形隔离块两端还设有供叶片上永磁体进出的永磁体通道608；所述换向阀阀芯安装在扇形隔离块的阀芯孔内，其上有2个用于与扇形隔离块对应通气孔连通的T型通气槽。

一种电堆阳极界面液态水和杂质气体排出系统，采用至少两组权利要求1所述的自动换向摆动气缸式启动循环泵。

本发明的有益效果在于：

1)摆动气缸式氢气循环泵为实现高效率叶片与缸体及端盖之间不做严格密封，留有少量间隙以减少叶片摆动时的阻力。

2)叶片运转时不与缸体及端盖有任何摩擦，仅仅在转动轴与轴承处有少量摩擦；由于力臂很小，此摩擦远小于现有技术中往复活塞式启动循环泵的摩擦；

3)无需橡胶密封也规避了橡胶密封件磨损带来的失效风险，降低成本，提高可靠性，同时由于将换向阀集成设置在泵体内部，对于阀芯的密封要求大大降低，阀芯的运动阻力更小反应更灵敏。

4)相比往复活塞式气动循环泵，叶片的运动方式由往复运动改为圆周摆动产生的惯性力更小、运转更平稳。

5)可以实现在不消耗额外能量的情况下驱动氢气在电堆内循环流动。所有能量来源均来自于高压氢气膨胀减压时释放的膨胀功。且在叶片行程末气体换向机构不需要电磁驱动，整个系统为纯机械式结构简单可靠，结构紧凑轻巧,整个循环泵系统对外不存在动密封。

附图说明

图1是本发明自动换向摆动气缸式启动循环泵的转动轴与大、小叶片的连接示意图。

图2是换向阀阀体的结构示意图。

图3是换向阀阀芯的结构示意图。

图4是本发明自动换向摆动气缸式气动循环泵的剖视图。

图5是大气缸集成整流阀时大气缸的隔离块的示意图。

图6是单向阀关闭状态示意图。

图7是单向阀打开状态示意图。

图8是大气缸集成换向阀时的原理图。

图9是大气缸集成整流阀时的原理图。

图中，1.滑动轴承，2.转动轴，3.大叶片，4.小叶片，5.永磁体，6.大气缸阀芯，7.小气缸阀芯，8.大气缸进气口，9.大气缸排气口，10.小气缸进气口，11.小气缸排气口，12.小气缸端盖，13.大气缸端盖，14.橡胶膜片，15.底板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

参见图1-4,6-8，一种自动换向摆动气缸式启动循环泵，包括缸径不同的两个摆动叶片式气缸，两个气缸的叶片同步旋转摆动；大气缸的转动轴上设有大叶片3、小气缸的转动轴上设有小叶片4，大、小叶片同角度设置，将各自气缸分为两个扇形腔体；所述小气缸集成设有换向阀，大气缸集成设有换向阀，大气缸对外设有大气缸进气口8、大气缸排气口9，小气缸对外设有小气缸进气口10、小气缸排气口11；所述小气缸进气口10与高压氢气源连通，小气缸与大气缸出气口合并后与电堆进氢口上游的稳压阀连接，大气缸进气口8与电堆的排氢口连接。

参见图4，所述两位四通换向阀集成在气缸内部，阀芯两端设有铁磁性材料，大小叶片上均固定设有永磁体5，当叶片摆动到行程末时叶片上的永磁体将阀芯吸引至下一个工作位置，使叶片两边的气流作用方向反转。

参见图1-4，所述大、小气缸各设有1个扇形隔离块，扇形隔离块与大、小叶片一起将各自气缸分为两个扇形腔体；所述扇形隔离块同时作为与换向阀阀芯配合的阀体。

参见图2-3，所述扇形隔离块共有6个通气孔，所有通气孔均与中间的阀芯孔相同，阀芯孔两端开设有安装挡圈的阀芯挡圈孔609，在扇形隔离块两端还设有供叶片上永磁体进出的永磁体通道608；所述换向阀阀芯安装在扇形隔离块的阀芯孔内，其上有2个用于与扇形隔离块对应通气孔连通的T型通气槽；所述扇形隔离块同时也是2位4通换向阀的阀体，其内部有一个铁磁体的阀芯。隔离块上共有6个通气孔如图2所示：其中601为进气口，604为出气口；601、605在同一侧；602、606在同一侧。所有的通气孔均与中间的阀芯孔相通。阀芯孔两端开有安装挡圈的阀芯挡圈孔。在隔离块两端还设有供叶片上永磁体进出的进出口。

该氢气循环泵由大小两个摆动叶片式气缸用过机械连接将摆动叶片连接在一起同步旋转。其中两个气缸均集成有换向阀，在叶片行程末时换向阀移动到另一个工作位置使通向气缸高压腔、低压腔的气流反转以实现工作循环。

工作过程详述：

图2中601为进气口、604为排气口。

当小叶片处于行程开始时小叶片处于图2隔离块的左侧位置。小叶片上的永磁体通过图2下方的永磁体通道伸入到阀芯通道，将阀芯吸引到下方。此时601与602相通、604与606相通。高压氢气依次通过601、602进入小叶片与隔离块左侧之间的空间推动小叶片旋转到隔离块的右侧。同时小叶片另一侧的气体依次通过606、604排出气缸。

当小叶片到达隔离块右侧时，小叶片上另一端(图2上端)的永磁体通过图2上方的永磁体通道伸入到阀芯通道，将阀芯吸引到上方。此时601与603相通、604与605相通。高压氢气依次通过601、603进入小叶片与隔离块右侧之间的空间推动小叶片反向旋转回到隔离块左侧。同时小叶片另一侧的气体依次通过605、604排出气缸。

于是小叶片又回到行程开始进入下一个循环。总体效果为高压氢气源源不断从601进入推动小叶片不停的来回摆动，膨胀做完功的氢气源源不断从4号口排出。大气缸的工作过程与小气缸类似，区别为小气缸为气体推动叶片；大气缸为叶片推动气体。

摆动气缸式氢气循环泵为实现高效率叶片与缸体及端盖之间不做严格密封留有少量间隙以减少叶片摆动时的阻力。如设计制造得当，叶片运转时不与缸体及端盖有任何摩擦，仅仅在转动轴与轴承处有少量摩擦。但此处摩擦与叶片边缘摩擦产生的阻力矩相比，由于力臂很小，远远小于边缘摩擦带来的阻力矩。不存在橡胶密封也规避了橡胶密封件磨损带来的失效风险，降低成本，提高可靠性。同时换向阀也完全处于气缸内部，对于阀芯的密封要求大大降低，阀芯的运动阻力更小反应更灵敏。相比往复活塞式气动循环泵，叶片的运动方式由往复运动改为圆周摆动产生的惯性力更小、运转更平稳。

实施例二：

与实施例一不同之处是，换向阀采用两位五通换向阀，采用两位五通换向阀时，所述大、小气缸上对应的气孔数量为3个。

实施例三：

与实施例一不同之处是：大气缸集成设置整流阀，替代换向阀，参见图5和图9.

如图5所示：其中在602、603、605、606口上装有4个橡胶膜片式单向阀。602、603只允许气体流出隔离块；605、606只允许气体流进隔离块。601为总进气口，604为总排气口。

相比换向阀，大气缸集成整流阀的方案气体流阻更小结构更为简单，所以实施例三是优选实施例。

本发明利用压缩氢气在小气缸内减压时释放的膨胀功来驱动大气缸叶片推动大气缸内气体运动。再经大气缸集成的换向阀、或者整流阀将将往复流动的气流整流为一进一出单向流动的气流，经缓冲罐及稳压阀滤除压力波动后接入电堆进氢口，以此实现将电堆系统的氢气循环。此发明可以实现在不消耗额外能量的情况下驱动氢气在电堆内循环流动。所有能量来源均来自于高压氢气膨胀减压时释放的膨胀功。且在叶片行程末气体换向机构不需要电磁驱动，整个系统为纯机械式结构简单可靠，结构紧凑轻巧,整个循环泵系统对外不存在动密封。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种自动换向摆动气缸式气体循环泵，其特征在于：

包括缸径不同的两个摆动叶片式气缸，两个气缸的叶片同步旋转摆动；大气缸的转动轴上设有大叶片(3)、小气缸的转动轴上设有小叶片(4)，大、小叶片同角度设置，将各自气缸分为两个扇形腔体；

所述小气缸内部集成换向阀，大气缸内部集成换向阀或整流阀，大气缸对外设有大气缸进气口(8)、大气缸排气口(9)，小气缸对外设有小气缸进气口(10)、小气缸排气口(11)；

所述小气缸进气口(10)与高压氢气源连通，小气缸与大气缸出气口合并后与电堆进氢口上游的稳压阀连接，大气缸进气口(8)与电堆的排氢口连接；

所述换向阀为两位四通换向阀；

所述两位四通换向阀集成在气缸内部，阀芯两端设有铁磁性材料，大小叶片上均固定设有永磁体(5)，当叶片摆动到行程末时叶片上的永磁体将阀芯吸引至下一个工作位置，使叶片两边的气流作用方向反转；

所述大、小气缸各设有1个扇形隔离块，扇形隔离块与大、小叶片一起将各自气缸分为两个扇形腔体；所述扇形隔离块同时作为与换向阀阀芯配合的阀体；

所述扇形隔离块共有6个通气孔，所有通气孔均与中间的阀芯孔相通，阀芯孔两端开设有安装挡圈的阀芯挡圈孔(609)，在扇形隔离块两端还设有供叶片上永磁体进出的永磁体通道(608)；

所述换向阀阀芯安装在扇形隔离块的阀芯孔内，其上有2个用于与扇形隔离块对应通气孔连通的T型通气槽。

2.如权利要求1所述的自动换向摆动气缸式气体循环泵，其特征在于：

所述换向阀采用两位四通换向阀或两位五通换向阀，采用两位五通换向阀时，所述大、小气缸上对应的气孔数量为3个。