CN109899591B - 一种温控开关及具有该温控开关的燃料电池进出气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温控开关，包括温控弹簧、单向阀和连接二者的柔性连接链；所述单向阀包括阀芯和阀座，所述阀芯与阀座采用非对称形式的轴连接；所述柔性连接链与单向阀阀芯采用偏心铰接形式连接，使柔性连接链与单向阀阀芯形成费力杠杆；所述温控弹簧远离单向阀阀芯的一端固定于一固定物体上，临近单向阀阀芯一端与柔性连接链固定铰接；所述温控弹簧具有温度记忆功能，随温度变化发生弹性形变；所述柔性连接链的长度大于温控弹簧的最大变形量；所述温控弹簧的最大变形量大于单向阀阀芯的规定位移量。所述温控开关具有结构简单，成本低廉，易于随型设计，可靠性强，通过温度定量调节开关开启程度等优点。将其应用于燃料电池电堆系统气体进、出气口管路上具有防止电堆暂停工作时的气体、粉尘杂质进入，保护电堆不失水、实现气体进料自动启停等优点。

Description

一种温控开关及具有该温控开关的燃料电池进出气系统

技术领域

本发明涉及一种温控开关，具体的说涉及一种通过温控弹簧机械控制的温控开关；

本发明还涉及一种具有上述温控开关的燃料电池进出气系统。

背景技术

温控开关是根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理变形，从而产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件。主要用于饮水机、热水器、三明治烤面包机、洗碗机、干燥机、消毒柜、微波炉、电热咖啡壶、电煮锅、冰箱、空调、过胶机、办公设备、汽车座位加热器等电热器具。现在流行的主要温控开关多采用电子元器件自动控制实现开关功能，不仅需要机械结构作为开关的主要实现部分，更需要电子元器件实现自动控制。这样一个系统中实现开、关功能的辅助部件所占有的体积较大，实现功能所需要的结构复杂。电子元器件控制的温控开关自身稳定性、可靠性得不到保证，因而影响整个系统的稳定性与可靠性。由此可见，一种无电子元器件控制的机械结构温控开关就显得尤为重要。

通常燃料电池堆本身燃料的进、出气口裸露在空气中，停机放置的过程中，空气中的杂质、湿气易于进入到燃料电池堆内部，影响燃料电池堆中MEA的性能，对电池堆本身造成不可修复的损害。在燃料进出气口加装有燃料电池堆本身温度控制的开关装置，使在燃料电池堆工作时开关装置自动打开，燃料电池堆停机时，开关装置自动关闭，有助于保护燃料电池堆内部核心部件的性能，从而延长电池堆使用寿命。用于风冷燃料电池堆的进、出气口开关结构，通过燃料电池堆停机状态与工作状态下自身的温差实现开关装置的功能。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案来实现。

发明内容

与现有技术相比，本发明具有结构简单，无需温度感应部件和控制部件，应用领域广泛，不仅可以实现当温度高于设定温度时开关开启的效果，同时可根据需要实现开关开启程度随温度连续变化的效果。适用于气体随温度变化而实现流通的技术领域，同时亦可用于通过温度来控制流体(特别是气体)流量的系统，应用于燃料电池电堆阴极气体进料系统中时，具有阻止停机状态杂质、湿气进入燃料电池电堆内部的作用，装置本身受外界环境因素影响小，有利于在降低燃料电池系统复杂性的同时提高燃料电池的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是温控开关应用燃料电池堆主视图

图2是温控开关固定位置示意图

图3是温控开关工作时柔性连接链状态示意图

图4是温控开关闭合时柔性连接链状态示意图

图5是本专利具体实施方式中单向阀阀座示意图

图6是本专利具体实施方式中单向阀阀芯示意图

图中，1为固定温控弹簧的底座，2为单向阀阀壳，3为温控弹簧挡板，4为固定阀座与温控弹簧底座的进气罩，5为柔性连接链，6为温控弹簧，7为单向阀阀座，8为防止阀芯滑出的挡条，9为单向阀阀芯，10为阀芯上的非对称轴装置，11为阀芯上的开孔位置，与柔性连接链相铰接。

具体实施方式

实施例：一种温控开关及其在燃料电池阴极进气系统中的应用

本实施例所述燃料电池阴极进气系统包括氧气气源、气泵、燃料电池阴极进气口，及将上述三者顺次串联管路连接的气体管路；一温控开关，设置于所述燃料电池阴极进气口和气泵之间的气体管路内部。

所述温控开关包括温控弹簧、单向阀和连接二者的柔性连接链；

所述单向阀包括阀芯和阀座，所述阀芯与阀座采用非对称形式的轴连接；所述柔性连接链与单向阀阀芯采用偏心铰接形式连接，使柔性连接链与单向阀阀芯形成费力杠杆；

所述温控弹簧远离单向阀阀芯的一端固定于温控弹簧底座上，临近单向阀阀芯一端与柔性连接链固定连接；所述温控弹簧具有温度记忆功能，随温度变化发生弹性形变；

所述柔性连接链的长度大于温控弹簧的最大变形量；所述温控弹簧的最大变形量大于单向阀阀芯的规定位移量。

所述温控开关包括：由阀芯和阀座组成的单向阀；

阀芯为一挡片，其外部由阀壳封装，阀壳一端带有放置密封圈的沟槽；

阀座内包括一转换接口结构件，所述转换接口结构件为一端圆形接口，配合圆形密封沟槽，转换接口结构件另一端为方形，配合挡片形状；挡片，与竖直方向倾斜30度安装在转换接口结构件内，上端挡条封装；

所述温控弹簧为双金属镍钛记忆合金螺旋弹簧；

所述柔性连接链为耐高低温细长线，配合热敏螺旋弹簧用于实现结构开、关功能。

在挡片的上端中部开两个直径1mm圆孔，用以将耐高低温细长软绳绑牢在挡片上，同时挡片中上部两侧各有一段直径0.8mm圆柱，作为挡片旋转实现开、关功能的旋转轴。

其中转换接口结构件内部整体形成只能使挡片单向顺时针旋转60度的凸台。

在挡片放入阀座转换接口结构件之后，使用挡条将转换接口结构件上的放挡片的倾斜开口封住并使用耐高温胶粘牢，以防止挡片滑出。

热敏弹簧座由配合弹簧内径的圆柱体和支撑圆柱体的底座构成，热敏弹簧固定在风冷电池堆系统的空气罩上。

将热敏螺旋弹簧固定在弹簧座上，将已经一端绑牢挡片的耐高低温细长软绳的另一端绑牢在热敏螺旋弹簧一端。要求燃料电池堆停止工作时，耐高低温细长软绳处于绷紧状态。

选用双金属镍钛记忆合金热敏螺旋弹簧满足电池堆工作时由于温度升高，热敏螺旋弹簧伸长。电池堆停止工作时，温度恢复室温，弹簧回复原长。

挡片结构中两侧的圆柱型轴在挡片上端，挡片所开的两个圆孔在挡片最顶部，以便于耐高低温细长绳一个较小的长度改变能够使挡片产生较大的旋转角度，从而降低了对热敏螺旋弹簧灵敏度的要求。

双金属镍钛记忆合金热敏螺旋弹簧能够随着环境温度的改变而产生伸长与回复的运动状态。本实例中采用的镍钛合金温度记忆弹簧随着环境温度的升高而自身长度伸长，随着环境温度降低到初始温度，弹簧也随着缩回到初始长度。弹簧的伸长量与温度的变化量呈正比例变化。本实例中环境温度变化范围为20℃至120℃，镍钛合金温度记忆弹簧自身形变量范围为0至25mm。由此环境温度与弹簧自身伸长量相对应，达到不同温度下，弹簧伸长量不同以至于单向阀阀芯旋转角度不同。实现了通过弹簧伸长量的中间转换，将环境温度与温控开关中单向阀阀芯的旋转角度联系起来，完成通过控制环境温度定量的控制开关开、闭程度的目的。

随着环境温度的升高超过25℃时，双金属镍钛记忆合金热敏螺旋弹簧开始产生伸长形变量。环境温度每升高1℃，弹簧相对应地伸长0.25mm。通过耐高低温细长软绳的控制，挡片相应地旋转0.6度。当环境温度达到弹簧最大工作温度即120℃时，弹簧伸长量达到最大即伸长25mm，此时挡片旋转60度，单向阀达到最大开度。随着环境温度缓慢下降至弹簧初始工作温度，热敏弹簧逐渐恢复原长直至耐高低温细长软绳重新拉紧，此时单向阀关闭。

Claims (9)

1.一种温控开关，其特征在于：包括温控弹簧、单向阀和连接二者的柔性连接链；

所述单向阀包括平板状阀芯和阀座，阀芯置于阀座内，所述阀芯与阀座采用非对称形式的转动轴连接，通过阀芯于阀座内沿转动轴转动控制阀的开关；所述柔性连接链一端与单向阀阀芯采用铰接形式连接，以非对称形式的转动轴为支点，使柔性连接链与单向阀阀芯形成费力杠杆；

所述阀座和温控弹簧远离单向阀阀芯的一端均固定于固定架上，柔性连接链的另一端与温控弹簧靠近单向阀阀芯一端固接或铰接；

所述温控弹簧具有温度记忆功能，随温度变化产生弹性形变，温控弹簧从初始工作温度升至工作温度时温控弹簧伸长至工作长度，温控弹簧从工作温度降至初始工作温度时温控弹簧恢复原长度；

在温控弹簧处于初始工作温度时，柔性连接链处于拉紧状态，其二端分别对温控弹簧和阀芯施加有拉力；在温控弹簧处于工作温度时，柔性连接链处于松弛状态，其二端不受力；

所述柔性连接链的长度大于温控弹簧的最大变形量，即温控弹簧处于最大变形量时，其靠近阀芯一端与阀芯之间留有空隙；所述单向阀阀芯达到最大开度时，柔性连接链处于松弛状态。

2.如权利要求1所述温控开关，其特征在于：

当温控开关所处的环境温度为温控弹簧处于原长状态的温度时，柔性连接链处于拉紧状态，温控弹簧通过柔性连接链与单向阀阀芯之间有力的作用，单向阀阀芯与阀座密封连接；

当温控开关所处的环境温度高于温控弹簧处于原长状态的温度时，温控弹簧产生伸长形变，柔性连接链与单向阀阀芯之间的作用力消失，单向阀阀芯与阀座间的密封连接失效，单向阀阀芯在外界作用力下开启，但单向阀阀芯开启的最大角度受限于温控弹簧伸长的长度，即单向阀阀芯开启最大角度时柔性连接链再次处于拉紧状态；

当温控开关所处的环境温度再次升高时，温控弹簧再次产生伸长形变，柔性连接链与单向阀阀芯之间的作用力再次消失；单向阀阀芯开启的角度再次增大；如此实现温度与单向阀开启角度间的对应控制。

3.如权利要求1所述温控开关，其特征在于：所述阀芯置于中空的阀座内，在平板状阀芯上部的左右二端分别设有一同转动轴的圆柱形凹槽或突起，对应的于阀座上部左右二端的内壁面上分别设有一同转动轴的圆柱形突起或凹槽，阀座或阀芯上的突起置于对应的阀芯或阀座上的凹槽内，通过突起于凹槽内转动，使阀芯于阀座内转动，控制阀的开关；同时使阀芯与阀座形成非对称形式的转动轴连接；

所述柔性连接链一端与阀芯上部铰接，转动轴作为偏心转动轴和支点，使柔性连接链与单向阀阀芯形成费力杠杆。

4.如权利要求1或3所述温控开关，其特征在于：

所述阀座下部内壁面上设有限位挡块，阀闭合时，阀芯与限位挡块贴接。

5.如权利要求1或3所述温控开关，其特征在于：

单向阀阀闭合时，阀座和/或阀芯贴接处设有密封部件，有利于二者之间的密封连接。

6.如权利要求1所述温控开关，其特征在于：所述单向阀为立式升降式单向阀、卧式升降式单向阀，单瓣式、双瓣式、多瓣式旋启单向阀以及直通型蝶式单向阀中的一种；

所述温控弹簧为螺旋弹簧、涡卷弹簧、扭杆弹簧或板弹簧中的一种。

7.如权利要求1所述温控开关，其特征在于：所述柔性连接链为耐高温柔性材料中的一种制成。

8.如权利要求1温控开关，其特征在于：所述单向阀阀芯的开启程度与温控弹簧的变形量的关系，通过温控弹簧与单向阀阀座的具体位置及柔性连接链的长度来调节。

9.一种具有权利要求1-8任一所述温控开关的燃料电池进出气系统，其特征在于：包括气源、进气管路、出气管路，于进气管路和/或出气管路上设置有温控开关；所述温控开关随温度升高而逐渐开启，使得管路中气体流量逐渐增大；所述温控开关随温度降低而逐渐闭合，使得管路中气体流量逐渐减小，且降低至温控弹簧的初始工作温度时温控开关闭合。

Images