CN111271304B - 一种双冷却系统的离心式空气压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双冷却系统的离心式空气压缩机，包括高速电机总成、低压端、高压端和管道；高速电机总成包括电机壳、电机定子、转轴组件、冷却水道、低压端冷却空气入孔一、低压端冷却空气入孔二、高压端冷却空气入孔一、高压端冷却空气入孔二和冷却空气出口；冷却水道包括冷却水进口、冷却水出口和水道；水道绕所述电机壳两圈；冷却空气从低压端冷却空气入孔一、低压端冷却空气入孔二、高压端冷却空气入孔一和高压端冷却空气入孔二分别进入，冷却设备零部件；从冷却空气出口排出到大气。本发明的冷却效果好，提高了设备使用寿命，降低了成本。

Description

一种双冷却系统的离心式空气压缩机
技术领域
本发明涉及一种离心式空气压缩机领域，尤其涉及一种双冷却系统的离心式空气压缩机。
背景技术
燃料电池是一种高效清洁的新能源动力系统，空气压缩机将空气压缩，然后送入燃料电池阴极，空气与阳极的氢气进行化学反应，生成的产物是电和水，没有其他污染物，所以非常的清洁，目前各国都在大力推动氢燃料电池动力的开发。
燃料电池专用的空气压缩机是氢燃料电池动力系统里面非常重要的一个零部件，其作用是比较简单的，即为燃料电池的电堆阴极提供一定压力和一定流量的压缩空气，以此来提高燃料电池的效率。不过燃料电池空压机需要在无油环境中运行，而且运行的速度要求比较高，每分钟转速可高达十几万转，所以传统的鼓风机、压缩机受其结构限制，是很难实现这一点的，所以带空气轴承的超高速空气压缩机应运而生。目前燃料电池空压机有单级压缩的，也有两级压缩的。单级压缩即一个电机驱动一个压轮，而两级压缩就是一个电机驱动两个压轮，一个是低压端，另一个是高压端，高压端和低压端是串联的，空气经过低压端压缩后再进入高压端进行第二次压缩，所以两级压缩机比单级压缩机获得的空气压力要高。在两级压缩机中，低压压缩机叶轮设置在轴上，并且高压压缩机叶轮设置在相同的轴上。轴由电动机驱动，使得压缩机叶轮旋转。
用于燃料电池的压缩机的电动机是典型的产生大量热的高速、高输出马达。通常需要使马达与在压缩机中压缩的空气之间的热传递和马达与用于压缩机轴的轴承之间的热传递最小。
汽车对零部件的寿命要求比较高，对于燃料电池空压机来说，提高使用寿命则需要满足电机转子对温度的要求，电机自身会产生很大的热量，而且不能使用润滑油进行冷却，所以温度较高会直接影响空压机的寿命。但是现有降温冷却技术存在以下两个主要缺点：
1、现有技术主要是以水冷为主，单独的水冷机构对壳体的冷却效果很好，但是对于内部零部件，尤其是对电机、空气轴承的冷却效果并不好，会降低零部件的使用寿命；
2、现有技术的水冷腔结构比较复杂，造成燃料电池空气压缩机成本居高不下，难以实现大规模批产应用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种合理的空压机冷却结构的设计，通过对冷却结构的优化来改善冷却效果，在不增加成本和不增加生产工艺难度的情况下满足空压机的散热要求，既保证电机壳的冷却效果，也保证对内部零部件，尤其是对电机、轴承的冷却效果，提高使用寿命。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种冷却效果更好的离心式空气压缩机，提高设备寿命。
为实现上述目的，本发明提供了一种双冷却系统的离心式空气压缩机，包括高速电机总成、低压端、高压端和管道；
所述高速电机总成包括电机壳、电机定子、转轴组件、冷却水道、低压端冷却空气入孔一、低压端冷却空气入孔二、高压端冷却空气入孔一、高压端冷却空气入孔二和冷却空气出口；
所述冷却水道包括冷却水进口、冷却水出口和水道；
所述低压端包括低压端压轮、低压端压壳、空气轴承一、推力轴承和空气入口；
所述高压端包括高压端压轮、高压端压壳、空气轴承二和生产压缩空气出口；
所述低压端和所述高压端分别安装在所述高速电机总成的两头；所述低压端压轮和所述高压端压轮分别安装在所述高速电机总成的所述转轴组件的两端，所述低压端压轮和所述高压端压轮同一轴；
冷却空气从所述低压端冷却空气入孔一和所述低压端冷却空气入孔二分别进入，到达所述推力轴承，冷却所述推力轴承，到达所述空气轴承一处，冷却所述空气轴承一，进入所述高速电机总成的转子与所述电机定子的间隙空间，冷却所述高速电机总成的内部部件；
冷却空气从所述高压端冷却空气入孔一和所述高压端冷却空气入孔二分别进入，到达所述空气轴承二处，冷却所述空气轴承二，进入所述高速电机总成的转子与所述电机定子的间隙空间，冷却所述高速电机总成的内部部件；
冷却空气从所述冷却空气出口排出到大气；
所述管路通过两个卡箍分别与所述低压端压壳和所述高压端压壳装配在一起。
进一步地，所述低压端冷却空气入孔一和所述低压端冷却空气入孔二分别位于所述电机壳的外圆靠近所述低压端的两个相对位置，钻孔而成，且垂直所述转轴组件。
进一步地，在所述电机壳的所述低压端端面相应位置钻两个孔分别与所述低压端冷却空气入孔一和所述低压端冷却空气入孔二相通并垂直。
进一步地，所述高压端冷却空气入孔一和所述高压端冷却空气入孔二分别位于电机壳的外圆靠近高压端的两个相对位置，钻孔而成，且垂直所述转轴组件。
进一步地，在所述电机壳的高压端端面相应位置斜向钻两个孔分别与所述高压端冷却空气入孔一和所述高压端冷却空气入孔二相通。
进一步地，所述冷却空气出口位于所述电机壳的外圆下侧面，钻孔而成，垂直所述转轴组件。
进一步地，所述冷却水道在所述电机壳内部，与所述电机壳一体铸造而成。
进一步地，所述水道绕所述电机壳两圈。
进一步地，所述冷却空气出口处可安装一个单向阀。
进一步地，冷却空气选低温压缩空气。
进一步地，所述冷却水可以用其他冷却液代替。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明离心式空气压缩机，既保证了电机壳的冷却效果，也保证了对内部零部件，尤其是对高速电机总成、推力轴承、空气轴承一和空气轴承二的冷却效果，提高了使用寿命。
2、本发明离心式空气压缩机的设计充分考虑了工艺的可行性，而且并没有单独增加额外的零部件，所以整体成本也比较低。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的双冷却系统的离心式空气压缩机的剖视图；
图2是本发明的一个较佳实施例的离心式空气压缩机外形图；
图3是本发明的一个较佳实施例的冷却水道的形状图；
图4是本发明的一个较佳实施例的低压端的冷却空气的流入路径图；
图5是本发明的一个较佳实施例的高压端的冷却空气的流入路径图；
图6是本发明的一个较佳实施例的冷却空气的流出路径图；
其中，1-高速电机总成，11-电机壳，12-电机定子，13-转轴组件，14-冷却水道，141-冷却水进口，142-冷却水出口，15-低压端冷却空气入孔一，16-低压端冷却空气入孔二，17-高压端冷却空气入孔一，18-高压端冷却空气入孔二，19-冷却空气出口，2-低压端,21-低压端压轮，22-低压端压壳，23-空气轴承一，24-推力轴承，25-空气入口，3-高压端，31-高压端压轮，32-高压端压壳，33-空气轴承二，34-生产压缩空气出口，4-管路。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1和图2所示，双冷却系统的离心式空气压缩机包括高速电机总成1、低压端2、高压端3和管道4。高速电机总成1包括电机壳11、电机定子12、转轴组件13、冷却水道14、低压端冷却空气入孔一15、低压端冷却空气入孔二16、高压端冷却空气入孔一17、高压端冷却空气入孔二18和冷却空气出口19。其中，冷却水道14包括冷却水进口141、冷却水出口142和水道。低压端2包括低压端压轮21、低压端压壳22、空气轴承一23、推力轴承24和空气入口25。高压端3包括高压端压轮31、高压端压壳32、空气轴承二33和生产压缩空气出口34。低压端2和高压端3分别安装在高速电机总成1的两头；低压端压轮21和高压端压轮31分别安装在高速电机总成1的转轴组件13的两端。本发明离心式空气压缩机是两级压缩，空气经空气入口25进入，在低压端2压缩，然后经管道4进入高压端3，在高压端3压缩，压缩空气从生产压缩空气出口34出来进入应用系统，被送往燃料电池，与氢气进行化学反应。管路4通过卡箍与低压端2的低压端压壳22和高压端3的高压端压壳32装配在一起。
如图1、图2和图3所示，冷却水道14与电机壳11一体铸造而成。冷却水道14绕电机壳11两圈，冷却水从冷却水进口141进入沿水道走，相对于绕电机壳11走两圈，从冷却水出口142出来，冷却高速电机总成1外围。冷却水可以用其他冷却液代替。
如图4所示，电机壳11的外圆靠近低压端2的两个相对位置，垂直转轴组件钻两个孔分别是低压端冷却空气入孔一15和低压端冷却空气入孔二16，在电机壳11的低压端端面相应位置钻两个孔分别与低压端冷却空气入孔一15和低压端冷却空气入孔二16相通，并垂直。冷却空气从低压端冷却空气入孔一15和低压端冷却空气入孔二16分别进入，经垂直方向的孔到达推力轴承24，冷却推力轴承24，再到达空气轴承一23处，冷却空气轴承一23，再进入高速电机总成1的转子与电机定子12的间隙空间，冷却高速电机总成1的内部部件。冷却空气的流动方向如图4的箭头指向。冷却空气选低温压缩空气。
如图5所示，在电机壳11的外圆靠近高压端3的两个相对位置，垂直转轴组件钻两个孔分别是高压端冷却空气入孔一17和高压端冷却空气入孔二18，在电机壳11的低压端端面相应位置斜向钻两个孔分别与高压端冷却空气入孔一17和高压端冷却空气入孔二18相通。冷却空气从高压端冷却空气入孔一17和高压端冷却空气入孔二18分别进入，分别经斜向的孔到达空气轴承二33处，冷却空气轴承二33，再进入高速电机总成1的转子与电机定子12的间隙空间，冷却高速电机总成1的内部部件。冷却空气的流动方向如图5的箭头指向。冷却空气选低温压缩空气。
如图6所示，电机壳11的外圆下侧面，垂直转轴组件13钻1个孔，为冷却空气出口19。从低压端冷却空气入孔一15、低压端冷却空气入孔二16、高压端冷却空气入孔一17和高压端冷却空气入孔二18分别进入的冷却空气，到达高速电机总成1的内部后都经冷却空气出口19排出进入大气。冷却空气的流动方向如图6的箭头指向。冷却空气出口19处可安装一个单向阀，以防止异物、水等从冷却空气出口19进入内部而造成故障。
本发明离心式空气压缩机具有水冷却系统和空气冷却系统。空气冷却系统是对水冷却系统的一种补充，冷却水主要是带走电机壳11上的热量，对于电机壳11的冷却效果是很好的，对于电机壳11内部零部件的冷却要靠空气冷却系统。冷却空气选低温压缩空气。
本发明与现有的离心式空气压缩机相比，没有增加额外的零部件，而是在已有零部件的基础上进行打孔、设计配合间隙等的控制，来实现冷却空气的流通路径，所以不会增加空气压缩机的成本，并且流通路径覆盖了所有关键零部件，保护了离心式空气压缩机，延长设备使用寿命。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双冷却系统的离心式空气压缩机，其特征在于，包括高速电机总成、低压端、高压端和管道；其中，
所述高速电机总成包括电机壳、电机定子、转轴组件、冷却水道、低压端冷却空气入孔一、低压端冷却空气入孔二、高压端冷却空气入孔一、高压端冷却空气入孔二和冷却空气出口；
所述冷却水道包括冷却水进口、冷却水出口和水道；
所述低压端包括低压端压轮、低压端压壳、空气轴承一、推力轴承和空气入口；
所述高压端包括高压端压轮、高压端压壳、空气轴承二和生产压缩空气出口；
所述低压端和所述高压端分别安装在所述高速电机总成的两头；所述低压端压轮和所述高压端压轮分别安装在所述高速电机总成的所述转轴组件的两端，所述低压端压轮和所述高压端压轮同一轴；
冷却空气从所述低压端冷却空气入孔一和所述低压端冷却空气入孔二分别进入，到达所述推力轴承，冷却所述推力轴承，到达所述空气轴承一处，冷却所述空气轴承一，进入所述高速电机总成的转子与所述电机定子的间隙空间，冷却所述高速电机总成的内部部件；
冷却空气从所述高压端冷却空气入孔一和所述高压端冷却空气入孔二分别进入，到达所述空气轴承二处，冷却所述空气轴承二，进入所述高速电机总成的转子与所述电机定子的间隙空间，冷却所述高速电机总成的内部部件；
冷却空气从所述冷却空气出口排出到大气；
所述管道通过两个卡箍分别与所述低压端压壳和所述高压端压壳装配在一起；
所述低压端冷却空气入孔一和所述低压端冷却空气入孔二分别位于所述电机壳的外圆靠近所述低压端的两个相对位置，钻孔而成，且垂直所述转轴组件，在所述电机壳的所述低压端端面相应位置钻两个孔分别与所述低压端冷却空气入孔一和所述低压端冷却空气入孔二相通并垂直；
所述高压端冷却空气入孔一和所述高压端冷却空气入孔二分别位于电机壳的外圆靠近高压端的两个相对位置，钻孔而成，且垂直所述转轴组件，在所述电机壳的高压端端面相应位置斜向钻两个孔，形成两个斜向孔分别与所述高压端冷却空气入孔一和所述高压端冷却空气入孔二相通，所述斜向孔被配置为使得冷却空气通过所述高压端冷却空气入孔一和所述高压端冷却空气入孔二经所述斜向孔到达空气轴承二处。
2.如权利要求1所述的双冷却系统的离心式空气压缩机，其特征在于，所述冷却空气出口位于所述电机壳的外圆下侧面，钻孔而成，垂直所述转轴组件。
3.如权利要求1所述的双冷却系统的离心式空气压缩机，其特征在于，所述冷却水道在所述电机壳内部，与所述电机壳一体铸造而成。
4.如权利要求1所述的双冷却系统的离心式空气压缩机，其特征在于，所述水道绕所述电机壳两圈。
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