CN111365298B - 一种电动离心空压机的空气冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动离心空压机的空气冷却系统，包括混流器、一级压缩机、阀门A、二级压缩机、中冷器、第二空滤器、阀门B、三通阀、电机、压缩空气管一、压缩空气管二、压缩空气管三、冷却气管一、冷却气管二、冷却排气管、排气管一、回气管和排气总管；从一级压缩机出来的压缩空气进入压缩空气管一，在分支点处分一部分压缩空气进入冷却气管一，冷却气管一里的压缩空气经阀门A进入电机进行冷却；从二级压缩机出来的压缩空气进入压缩空气管二，进入中冷器，从中冷器的一个出口出来进入冷却气管二，经第二空滤器过滤，进入电机，对电机进行冷却。本发明应用在电动离心空压机上，能够实现更好的冷却效果，以及更好的综合效率。

Description

一种电动离心空压机的空气冷却系统

技术领域

本发明涉及电动空压机领域，尤其涉及一种电动离心空压机的空气冷却系统。

背景技术

氢燃料电池是一种高效清洁的动力装置。氢燃料电池的核心系统就是其电池堆，除此之外还有4个主要的辅助系统以保证电堆正常高效的工作，包括：供氢系统，供气系统，水管理系统和热管理系统。一般选用永磁同步电机带动的离心空压机来提供压缩空气。目前，电动离心空压机的电机内部散热的主流方法是使用冷空气为介质进入电机壳内部进行流动，带走由于电机和轴承的高速运行所产生的热量。

现有的内部冷却空气方式，可以分为两大类，即引入外部高压空气冷却，和在电机内部设置冷却风扇吸收环境的新鲜空气进入电机壳内部冷却。

引入外部高压空气冷却电机内部的设计，经过两级压缩后的空气，温度会升高，于是通过中冷器降温后的一部分气体，经过空滤器后引导回电机壳内部进行冷却，最后排气汇和到燃料电池堆总的排气出口。其主要缺点：是外部冷却空气的温度和压力，是一旦流道的几何尺寸固定后则无法调节，这容易造成难以同时兼顾高速时候冷却气量的需求和低速时候冷却气量的需求。

另一种冷却方式是在电机内部设置冷却风扇，通过冷却风扇的转动，吸收电机周围的冷空气进入电机内部进行强制冷却，其缺点也很明显，需要增加的额外的冷却风扇会增加整个电机转轴的长度，使得转子系统临界转速降低，导致相同设计的电机其最高允许工作的转速会显著减少，使得空压机的压比和流量下降。另外结构复杂之后，还需要安装单独的进气滤清等保证被吸入的空气的干净程度，安装难度变大，额外的叶轮和内部流道也使得整机的体积和成本都显著上升。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种电动离心空压机的空气冷却系统，可以实现不同的工作状态下最佳的冷却效果。

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电动离心空压机的电机内部的有效的冷却问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电动离心空压机的空气冷却系统，包括混流器、一级压缩机、阀门A、二级压缩机、中冷器、第二空滤器、阀门B、三通阀、电机、压缩空气管一、压缩空气管二、压缩空气管三、冷却气管一、冷却气管二、冷却排气管、排气管一、回气管和排气总管；从所述一级压缩机出来的压缩空气进入所述压缩空气管一，在分支点处分一部分压缩空气进入所述冷却气管一，所述冷却气管一里的压缩空气经所述阀门A进入所述电机进行冷却；从所述二级压缩机出来的压缩空气进入所述压缩空气管二，进入所述中冷器，从所述中冷器的一个出口出来进入所述冷却气管二，经所述第二空滤器过滤，进入所述电机，对所述电机进行冷却。

进一步地，所述压缩空气管一的一端连接所述一级压缩机的出气口，另一端连接所述二级压缩机的进气口；所述冷却气管一是所述压缩空气管一的分支管；所述冷却气管一上安装有所述阀门A。

进一步地，所述阀门A采用单向开启低通阀门。

进一步地，所述压缩空气管二的一端连接所述二级压缩机的出气口，另一端连接所述中冷器；所述中冷器有两个出口，分别与所述压缩空气管三和所述冷却气管二连接，所述冷却气管二的另一端与所述第二空滤器连接。

进一步地，所述阀门B采用单向开启高通阀门。

进一步地，所述冷却排气管的一端连接所述电机的冷却气出口，另一端连接所述三通阀。

进一步地，所述回气管的一端连接所述三通阀，另一端连接所述混流器。

进一步地，所述排气管一的一端连接所述三通阀，另一端连接所述排气总管。

进一步地，冷却空气从所述电机出来经所述冷却排气管、所述三通阀、所述回气管进入所述混流器，在所述混流器与经所述第一空滤器过滤的新鲜空气混合，进入所述一级压缩机。

进一步地，所述混流器是单独的部件，或者是与所述一级压缩机的压壳集成一体。

本发明结构简单，不影响原机的其他方面性能和设计，成本增加小，但能够实现更好的冷却效果，以及更好的综合效率。混流器和三通阀的配合作用改善喘振余量，提高系统稳定性。

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电动离心空压机的空气冷却系统图；

其中，1-第一空滤器，2-混流器，3-一级压缩机，4-阀门A，5-二级压缩机6-中冷器，7-第二空滤器，8-阀门B，9-三通阀，10-加湿器，11-电堆，12-背压阀，13-电机，14-压缩空气管一，15-压缩空气管二，16-压缩空气管三，17-冷却气管一，18-冷却气管二，19-冷却排气管，20-排气管一，21-回气管，22-排气管二，23-排气总管。

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。

如图1所示，一种电动离心空压机的空气冷却系统，包括混流器2、一级压缩机3、阀门A4、二级压缩机5、中冷器6、第二空滤器7、阀门B8、三通阀9、电机13、压缩空气管一14、压缩空气管二15、压缩空气管三16、冷却气管一17、冷却气管二18、冷却排气管19、排气管一20、回气管21和排气总管23。新鲜空气经第一空滤器1过滤进入混流器2，然后进入一级压缩机3压缩，从一级压缩机3出气口出来的压缩空气经压缩空气管一14进入二级压缩机5进一步压缩，从二级压缩机5的出气口出来的压缩空气经压缩空气管二15进入中冷器6进行冷却，然后经压缩空气管三16送入加湿器10进行加湿，最后进入电堆11发生反应，产生的含有气态和液态水的废气进入加湿器10对进气加湿后，经背压阀12、排气管二22和排气总管23排出。

压缩空气管一14的分支管冷却气管一17上安装有阀门A4，阀门A4采用单向开启低通阀门，在低于关闭标定压力前保持开启状态，在开启状态，压缩空气可以通过，进入电机13，对电机13进行冷却；到达关闭标定压力后阀门A4关闭，此时，这一路压缩空气不能通过阀门A4进入电机13进行冷却。因为压力低的状态，对应电机13工作负荷较低的工况，此时转速较低，电机13内部的发热不严重，采用一级压缩机3出来的压缩空气冷却电机13的内部，是适合的，并且对整个空压机的性能影响较小。这是第一冷却回路。

二级压缩机5出气口出来的压缩空气比冷却气管一17上的压缩空气温度高，压力也高，必须经过冷却才能用于冷却电机13。中冷器6安装在压缩空气管二15上，中冷器6有两个出口，一个出口接压缩空气管三16，另一个出口接冷却气管二18。从二级压缩机5出气口出来的压缩空气经压缩空气管二15到中冷器6中，冷却后一部分压缩空气经冷却气管二18到第二空滤器7，过滤后经阀门B8进入电机13，冷却电机13。这是冷却电机13的第二冷却回路。阀门B8采用单向开启高通阀门，低压下关闭，只有达到开启标定压力后才会开启。只有阀门B8打开，这一路压缩空气才能通过并进入电机13并冷却电机13。阀门B8的开启压力和阀门A4的关闭压力设置相关联，(并非相同)，使得阀门A4开启的时候阀门B8关闭，阀门A4关闭的时候阀门B8开启。在阀门B8关闭时，二级压缩机5出气口出来的压缩空气在中冷器6全部通入压缩空气管三16，全部用于电堆11反应，因电堆11反应不要求压缩空气温度很低，所以可以先设定此工况下中冷器6的冷却温度比两出口通气工况的高一点，这样可以节省中冷器6的能耗，较高的温度也有助于空气在加湿器10内提高湿度，进而也提升电堆11的工作效率。

进入电机13的冷却空气，带走电机13多余的热量，保持电机13温度不超限制。离开电机13的空气的温度升高，压力下降，经冷却排气管19进入三通阀9。三通阀9可以根据需要调节冷却空气的流量。在中低转速下，电机功率和发热都较低的工况下，流向回气管21后进入混流器2，最终回流到一级压缩机3，这可以利用这部分压缩空气的压缩能量，降低一级压缩机3的压缩能量消耗，并拓宽中低转速下离心压缩机的喘振余量，有利于压缩机的可靠性提升。三通阀9也可以根据需要在中高转速下切换开启方向，将温度较高的冷却后空气导向排气管一20，最终进入排气总管23。这有助于降低冷却管路的背压，以及避免较高温度的空气影响一级压缩机3和二级压缩机5的工作。

混流器2的设置是为了减少回流的冷却空气流到一级压缩机3时对一级压缩机3的性能影响，混流器2使得新鲜空气和回流的冷却空气均匀混合。三通阀9的作用是增加余气回流，混流器2和三通阀9的配合作用改善喘振余量，提高系统稳定性，并在中低工况下通过利用冷却空气的压缩能力来降低压缩机的能耗。混流器2可以分体为单独的部件，也可以和一级压缩机3的压壳一体成型。

随着电动空压机的转速不断提高，一级压缩机3的压缩做工不断增加，压缩空气管一14中的气体温度也升高，因此冷却电机13的效果变差。而此时电机13的轴承因为负荷和转速上升，冷却的需求不断上升。可以设定此时通过阀门A关闭，阀门B开启，得到从二级压缩机5出来并通过中冷器6冷却的低温压缩空气用于冷却电机13。可以根据气体状态方程，建立压缩空气的温度和压力的关系，通过预先设置好的标定压力的阀门A关闭，而与此同时，阀门B达到开启压力。而且预先设计好阀门A和阀门B的流通能力以及相应两路管的流通能力，满足电机13对冷却空气的需求，使整个运行工况达到最优效果，进而优化系统效率。

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 (5)

1.一种电动离心空压机的空气冷却系统，其特征在于，包括混流器、一级压缩机、阀门A、二级压缩机、中冷器、第二空滤器、阀门B、三通阀、电机、压缩空气管一、压缩空气管二、压缩空气管三、冷却气管一、冷却气管二、冷却排气管、排气管一、回气管和排气总管；从所述一级压缩机出来的压缩空气进入所述压缩空气管一，在分支点处分一部分压缩空气进入所述冷却气管一，所述冷却气管一里的压缩空气经所述阀门A进入所述电机进行冷却；从所述二级压缩机出来的压缩空气进入所述压缩空气管二，进入所述中冷器，从所述中冷器的一个出口出来进入所述冷却气管二，经所述第二空滤器过滤，进入所述电机，对所述电机进行冷却；

所述压缩空气管一的一端连接所述一级压缩机的出气口，另一端连接所述二级压缩机的进气口；所述冷却气管一是所述压缩空气管一的分支管；所述冷却气管一上安装有所述阀门A；

所述压缩空气管二的一端连接所述二级压缩机的出气口，另一端连接所述中冷器；所述中冷器有两个出口，分别与所述压缩空气管三和所述冷却气管二连接，所述冷却气管二的另一端与所述第二空滤器连接；

所述冷却排气管的一端连接所述电机的冷却气出口，另一端连接所述三通阀；

所述回气管的一端连接所述三通阀，另一端连接所述混流器；

所述排气管一的一端连接所述三通阀，另一端连接所述排气总管。

2.如权利要求1所述的一种电动离心空压机的空气冷却系统，其特征在于，所述阀门A采用单向开启低通阀门。

3.如权利要求1所述的一种电动离心空压机的空气冷却系统，其特征在于，所述阀门B采用单向开启高通阀门。

4.如权利要求1所述的一种电动离心空压机的空气冷却系统，其特征在于，冷却空气从所述电机出来经所述冷却排气管、所述三通阀、所述回气管进入所述混流器，在所述混流器与经第一空滤器过滤的新鲜空气混合，进入所述一级压缩机。

5.如权利要求1所述的一种电动离心空压机的空气冷却系统，其特征在于，所述混流器是单独的部件，或者是与所述一级压缩机的压壳集成一体。

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