CN112746958B - 一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，高压孔口均设置在靠近机体中间的位置，低压孔口均设置在机体两端；压缩机阴转子和膨胀机阳转子同轴连接并固定，压缩机阳转子和膨胀机阴转子也通过转子轴连接，但压缩机阳转子与转子轴固定，而膨胀机阴转子与转子轴间隙配合，存在相互滑动；膨胀机低压侧与电机相连。本发明不仅减少了轴承的数量，降低了体积、重量和成本，而且利用转子齿数比有效降低了膨胀机的转速，实现了压缩机和膨胀机的流量匹配，同时利用了压缩机转子与膨胀机转子受力的平衡作用，有效降低了轴承的载荷，减少了轴承的功耗损失，解决了膨胀机低负荷时回收功少的问题。

Description

一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机
技术领域
本发明涉及双螺杆机械领域，特别涉及一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机。
背景技术
在能源危机及环境保护的双重压力下，氢燃料电池由于其能量转换效率高、环境友好、可再生和噪声低等优点，受到各界格外关注。空压机作为燃料电池供气子系统中最重要的部件，其主要工作是将大气环境中的空气加压至燃料电池组最佳操作压力，并根据实际工况需求提供所需的空气质量流量，可以大幅提高燃料电池的功率密度和效率、减小体积和成本。
双螺杆压缩机由于效率高、压比大、可靠性高等优点，已被广泛应用于燃料电池空压机。空压机的动力来源同样是从燃料电池中获得，提高空气供应系统的压力要求，也意味着空压机的消耗功率的增加，因此，在空压机排气压力大于2.5bar时，可以采用膨胀机来回收部分功，提高系统效率。但是采用膨胀机也存在以下问题：增大了供气系统的体积、重量和成本；在低负荷运转时，膨胀机由于回收功少，甚至会成为寄生功率损失，例如，中国专利200510041994.2。
为了一定程度上解决上述问题，文献“DEVELOPMENT OF WATER LUBRICATEDCOMRPESSOR-EXPANDER FOR FUEL CELL APPLICATION”中提供了一种双螺杆压缩膨胀一体机，其在一根轴上同时加工出压缩机阳转子和膨胀机阳转子，在另一根轴上同时加工出压缩机阴转子和膨胀机阴转子，压缩机转子段和膨胀机转子段之间安装有隔板，其结构的优点在于显著减小了供气系统的体积、重量和成本。此外，通过将高压孔口设置在机体中间位置，有效降低轴承载荷及寄生损失。
由于膨胀机的质量流量通常只有压缩机的80％～90％，膨胀机需要与压缩机的流量进行匹配(或通过降低膨胀机转速，或通过采用直径更小的膨胀机转子)，但是上述一体机中压缩机和膨胀机同类转子连接(压缩机阳转子和膨胀机阳转子相连，压缩机阴转子和膨胀机阴转子相连)，膨胀机转子和压缩机转子型线完全相同，为了满足膨胀机和压缩机的流量匹配，需要减小膨胀机的高压孔口，而膨胀机的高压孔口过小，会导致膨胀机进气阻力损失(进气压力损失)增大，明显降低膨胀机的回收功。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机。解决现有双螺杆压缩膨胀一体机的膨胀机高压孔口面积过小以及进气压力损失大、回收功少的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，该压缩膨胀一体机包括机体，所述机体包括机壳以及设置于机壳内的第一转子轴、第二转子轴以及相互分隔的压缩机转子和膨胀机转子，压缩机转子包括可转动啮合的压缩机阳转子和压缩机阴转子，膨胀机转子包括可转动啮合的膨胀机阳转子和膨胀机阴转子，膨胀机阳转子和压缩机阴转子固定在第一转子轴上，压缩机阳转子固定在第二转子轴上，膨胀机阴转子可转动的支撑在第二转子轴上。
所述机壳上设置有压缩机高压排气口、压缩机低压进气口、膨胀机低压排气口及膨胀机高压进气口，压缩机高压排气口和压缩机低压进气口分别位于压缩机转子的旋转工作面的两侧(相对于压缩机阴、阳转子轴线所在水平面采用上下相对设置)，膨胀机低压排气口和膨胀机高压进气口分别位于膨胀机转子的旋转工作面的两侧(相对于膨胀机阴、阳转子轴线所在水平面采用上下相对设置)。
优选的，所述压缩膨胀一体机还包括电机，第一转子轴由膨胀机阳转子侧伸出机体，或者，第一转子轴由压缩机阴转子侧伸出机体，第一转子轴伸出机体的一端与电机相连。
优选的，所述膨胀机阴转子的两端开设有膨胀机转子轴承安装凹孔；膨胀机转子轴承安装凹孔内设置有自润滑轴承，自润滑轴承与第二转子轴相连，或者，膨胀机转子轴承安装凹孔内设置有脂润滑圆柱滚动轴承，脂润滑圆柱滚动轴承与第二转子轴相连(从而替换自润滑轴承)。
优选的，所述机壳为五段式结构，该五段式结构包括压缩机轴承座、膨胀机轴承座、与压缩机轴承座相连的压缩机转子腔、与膨胀机轴承座相连的膨胀机转子腔，以及连接于压缩机转子腔与膨胀机转子腔之间的中间段壳体；所述压缩机阳转子和压缩机阴转子设置于压缩机转子腔内，膨胀机阳转子和膨胀机阴转子设置于膨胀机转子腔内。
优选的，所述膨胀机轴承座或压缩机轴承座内设置有相互啮合的第一自润滑同步齿轮和第二自润滑同步齿轮，第一自润滑同步齿轮和第二自润滑同步齿轮分别与第一转子轴和第二转子轴对应相连。
优选的，所述膨胀机轴承座包括第一轴承腔和第二轴承腔，所述第一轴承腔和第二轴承腔内分别设置有与第一转子轴和第二转子轴对应相连的轴承(例如，两个轴承腔可以分别采用一组对置的脂润滑角接触球轴承与两转子轴配合，各组脂润滑角接触球轴承的两端分别设置有密封结构)。
优选的，所述压缩机轴承座包括向压缩机转子腔内凸出的第一伸出轴和第二伸出轴，压缩机阴转子和压缩机阳转子的吸气侧(进气侧)端面上分别开设有与第一伸出轴和第二伸出轴位置对应的压缩机转子轴承安装凹孔，第一伸出轴以及第二伸出轴分别与设置在对应压缩机转子轴承安装凹孔内的轴承相连(例如，各压缩机转子轴承安装凹孔可以分别采用一个脂润滑圆柱滚动轴承与对应伸出轴配合，脂润滑圆柱滚动轴承外端设置有密封结构)。所述膨胀机低压排气口、压缩机低压进气口分别采用设置于膨胀机轴承座、压缩机轴承座上的轴向孔口(即膨胀机低压排气口、压缩机低压进气口位于机体两端)，膨胀机的低温排气经轴向孔口流经膨胀机轴承座的轴承腔外壁后可以进一步用于冷却自润滑同步齿轮和电机。
优选的，所述压缩机转子的阴阳转子型线与膨胀机转子的阴阳转子型线可以相同，也可以不同，使得压缩膨胀一体机的结构形式更为灵活。
优选的，所述压缩机高压排气口包括通过压缩机转子腔壁面连通至机体外部的压缩机高压轴向排气孔口，压缩机高压轴向排气孔口为开设于中间段壳体一端上的缺口，所述膨胀机高压进气口包括通过膨胀机转子腔壁面连通至机体外部的膨胀机高压轴向进气孔口，膨胀机高压轴向进气孔口为开设于中间段壳体另一端上的缺口(即压缩机高压排气口和膨胀机高压进气口位于机体中间，其中，压缩机高压轴向孔口和膨胀机高压轴向孔口相对于阴阳转子轴线所在水平面采用上下相对设置)；中间段壳体面向压缩机转子腔的一端上还分别开设有与第一转子轴和第二转子轴同心的密封安装凹孔，密封安装凹孔内设置有非接触式密封，非接触式密封与对应转子轴相连，且与密封安装凹孔间隙配合。
本发明的有益效果体现在：
本发明不仅利用了压缩机转子与膨胀机转子受力的平衡作用，有效降低了轴承的载荷，减少了轴承的功耗损失，解决了膨胀机低负荷时回收功少的问题。而且通过将现有压缩膨胀一体机中与膨胀机阴转子同轴连接的压缩机阴转子与压缩机阳转子调换位置，同时将膨胀机阴转子由与转子轴固定连接调整为可相对滑动的连接方式，从而可以利用阴、阳转子齿数比降低膨胀机的转速，实现了压缩机和膨胀机的流量匹配。本发明对压缩机、膨胀机转子齿数比之间的大小关系无要求，使得阴阳转子的结构配置更灵活，无需减小甚至可以扩大高压孔口的面积，提升了膨胀机的回收功。
进一步的，本发明将压缩机和膨胀机的高压孔口均设置在机体中间位置，低压孔口均设置在机体两端，且均为上下相对布置，减少了轴承的数量，缩短了压缩膨胀一体机的轴向长度，降低了压缩膨胀一体机体积、重量和成本。
进一步的，本发明可以将膨胀机低压侧与电机相连，使得膨胀机轴向低压排气可以起到有效的冷却作用(充分利用了膨胀机低压排气的冷量)，有利于提高电机效率。
附图说明
图1为燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机结构示意图(机体横剖)；
图2为燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机机壳内的空气流动示意图；
图3为图1所示中间段壳体的结构示意图；其中：(a)面向膨胀机转子腔的一端，(b)面向压缩机转子腔的一端；
图4为燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机的转子端面型线示意图；其中：(a)膨胀机转子端面型线，(b)压缩机转子端面型线；
图中：1-膨胀机转子腔；2-膨胀机阳转子；3-膨胀机阴转子；4-中间段壳体；5-压缩机转子腔；6-压缩机阳转子；7-压缩机阴转子；8-压缩机轴承座；9-膨胀机轴承座；10-脂润滑圆柱滚动轴承；11-滚动轴承外密封；12-脂润滑角接触球轴承；13-角接触球轴承内密封；14-角接触球轴承外密封；15-轴套；16-第二自润滑同步齿轮；17-第一自润滑同步齿轮；18-自润滑轴承；19-非接触式密封；20-第二转子轴；21-第一转子轴；22-压缩机轴向进气孔口；23-膨胀机轴向排气孔口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
实施例1
参见图1，本发明提供的燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机包括由机壳以及分隔于机壳内的压缩机转子和膨胀机转子所构成的机体。所述机壳采用由依次拼接的压缩机轴承座8、压缩机转子腔5、中间段壳体4、膨胀机转子腔1和膨胀机轴承座9所构成的五段式结构。所述压缩机转子包括安装在压缩机转子腔5内的压缩机阳转子6和压缩机阴转子7，膨胀机转子包括安装在膨胀机转子腔1内的膨胀机阳转子2和膨胀机阴转子3。所述压缩机阴转子7和膨胀机阳转子2通过第一转子轴21同轴连接，且压缩机阴转子7和膨胀机阳转子2均与第一转子轴21固定；压缩机阳转子6和膨胀机阴转子3通过第二转子轴20同轴连接，且压缩机阳转子6与第二转子轴20固定。而膨胀机阴转子3与第二转子轴20间隙配合，并可相对滑动，即膨胀机阴转子3可转动的支撑在第二转子轴20上，膨胀机阴转子3与第二转子轴20的具体装配方式为：膨胀机阴转子3两端开设有凹孔，该两端的凹孔内均安装有自润滑轴承18(滚动轴承，或者滑动轴承)，且自润滑轴承18与第二转子轴20连接并固定。所述第一转子轴21、第二转子轴20贯穿中间段壳体4，并分别与膨胀机轴承座9内的第一自润滑同步齿轮17、第二自润滑同步齿轮16对应连接并固定，压缩机转子腔5与膨胀机转子腔1通过位于中间段壳体4与第一转子轴21之间以及位于中间段壳体4与第二转子轴20之间的非接触式密封19实现相互隔绝。所述第一转子轴21伸出膨胀机轴承座9外，并与电机相连。
参见图2，所述燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机的高压孔口(包括压缩机高压排气口和膨胀机高压进气口)设置在靠近机体中间位置(具体位于中间段壳体4两端)，燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机的低压孔口(包括压缩机低压进气口和膨胀机低压排气口)设置在机体两端(具体位于压缩机轴承座8和膨胀机轴承座9上)。并且所述膨胀机高压进气口、压缩机高压排气口分别布置在机体上、下侧；压缩机低压进气口、膨胀机低压排气口分别布置在机体上、下侧。所述膨胀机低压排气口采用开设于膨胀机轴承座9上的膨胀机轴向排气孔口23，使得膨胀机低压排气依次流经膨胀机轴承座9的轴承腔外壁、第一、第二自润滑同步齿轮17、16以及所述电机，起到冷却作用(通过回收功膨胀机低压排气温度较低)。所述压缩机低压进气口采用开设于压缩机轴承座8上的压缩机轴向进气孔口22。
如图1所示，所述膨胀机轴承座9内具有两组对置的脂润滑角接触球轴承12，其中一组脂润滑角接触球轴承12安装在一个轴承腔(位于膨胀机阳转子2排气侧端面与第一自润滑同步齿轮17之间)内，并与第一转子轴21连接，另一组脂润滑角接触球轴承12安装在另一个轴承腔(位于膨胀机阴转子3排气侧端面与第二自润滑同步齿轮16之间)内，并与第二转子轴20连接。膨胀机轴承座9的各轴承腔内还安装有位于对应组脂润滑角接触球轴承12一端的角接触球轴承内密封13及位于该组脂润滑角接触球轴承12另一端的角接触球轴承外密封14和轴套15，且轴套15固定在对应转子轴上。
如图1所示，所述压缩机轴承座8上存在两个伸出轴(分别伸向压缩机转子腔5内)，压缩机阳转子6的吸气侧(进气侧)端面和压缩机阴转子7的吸气侧(进气侧)端面上均开设有凹孔，该压缩机阳转子、阴转子6、7吸气侧端面上的凹孔与对应伸出轴之间安装有脂润滑圆柱滚动轴承10及滚动轴承外密封11，从而可以降低机体长度。
参见图3，所述压缩机高压排气口包括通过压缩机转子腔5壁面上的开口连通外部的压缩机高压轴向排气孔口，压缩机高压轴向排气孔口为开设于中间段壳体4的一个端面凸台(位于面向压缩机转子腔5的一端，用于连接压缩机转子腔5)下部的缺口。所述膨胀机高压进气口包括通过膨胀机转子腔1壁面上的开口连通外部的膨胀机高压轴向进气孔口，膨胀机高压轴向进气孔口为开设于中间段壳体4的另一个端面凸台(位于面向膨胀机转子腔1的一端，用于连接膨胀机转子腔1)上部的缺口。这些缺口可通过在对应端面凸台下边缘、上边缘分别加工两个对称排布并连通的弧形槽而形成。中间段壳体4面向压缩机转子腔5的一端上(具体指对应端面凸台上)分别开设有与第一转子轴21、第二转子轴20同心的凹孔，所述非接触式密封19安装于该凹孔内，第一、第二转子轴21、20分别与对应非接触式密封19连接并固定，所述与第一转子轴21、第二转子轴20同心的凹孔与对应非接触式密封19间隙配合。
参见图4，压缩机的两转子型线(即压缩机阳转子6和压缩机阴转子7的转子型线)与膨胀机的两转子型线(即膨胀机阳转子2和膨胀机阴转子3的转子型线)可以相同，也可以不同，但压缩机的两转子中心距(即压缩机阳转子6和压缩机阴转子7的中心距)和膨胀机的两转子中心距(即膨胀机阳转子2和膨胀机阴转子3的中心距)相等，使得第一转子轴21和第二转子轴20相互平行，从而使得机体内的这两对反向安装的阴、阳转子(其中一对为压缩机阳转子6和压缩机阴转子7，另一对为膨胀机阳转子2和膨胀机阴转子3)能够正常配合转动。
图4的示例中，压缩机的两转子型线与膨胀机的两转子型线完全相同，且四个转子的外径也相等，使得压缩机阴、阳转子、膨胀机阴、阳转子以及机壳可采用一套加工设备进行加工。此外，图4的示例中，压缩机阴、阳转子齿数比以及膨胀机阴、阳转子齿数比相等(均为4:6)，假设电机转速为n，则膨胀机阳转子2和压缩机阴转子7的转速为n，压缩机阳转子6的转速为1.5n，膨胀机阴转子3的转速为0.667n，利用齿数比实现了膨胀机的转速为压缩机的转速的0.667倍(膨胀机阳转子的转速是压缩机阳转子转速的0.667倍，膨胀机阴转子的转速也是压缩机阴转子转速的0.667倍)。同时，膨胀机阴转子3和第二转子轴20存在相对滑动，相对滑动的转速差为0.833n。
另外，当压缩机转子(阴、阳转子)齿数比与膨胀机转子(阴、阳转子)齿数比取为不相等时，可以进一步降低膨胀机的转速。
实施例2
与实施例1不同的是，将上述自润滑轴承18替换为类似于安装在压缩机轴承座8上的由脂润滑圆柱滚动轴承及密封构成的结构形式。即在膨胀机阴转子3两端开设的凹孔中安装脂润滑圆柱滚动轴承，脂润滑圆柱滚动轴承内圈与第二转子轴20连接并固定，脂润滑圆柱滚动轴承外圈与相应凹孔连接并固定，从而克服由于自润滑轴承耐磨损性能相对较差而导致的压缩膨胀一体机使用寿命较短的不足，更有利于实际应用。

Claims (10)

1.一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：该压缩膨胀一体机包括机体，所述机体包括机壳以及设置于机壳内的第一转子轴(21)、第二转子轴(20)、压缩机阳转子(6)、压缩机阴转子(7)、膨胀机阳转子(2)和膨胀机阴转子(3)，所述膨胀机阳转子(2)和压缩机阴转子(7)固定在第一转子轴(21)上，压缩机阳转子(6)固定在第二转子轴(20)上，膨胀机阴转子(3)可转动的支撑在第二转子轴(20)上；利用压缩机阴、阳转子齿数比及膨胀机阴、阳转子齿数比降低膨胀机的转速，实现压缩机和膨胀机的流量匹配。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩膨胀一体机还包括电机，第一转子轴(21)由膨胀机阳转子(2)侧伸出机体，或者，第一转子轴(21)由压缩机阴转子(7)侧伸出机体，第一转子轴(21)伸出机体的一端与电机相连。
3.根据权利要求1所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述膨胀机阴转子(3)的两端开设有膨胀机转子轴承安装凹孔；膨胀机转子轴承安装凹孔内设置有自润滑轴承(18)，自润滑轴承(18)与第二转子轴(20)相连，或者，膨胀机转子轴承安装凹孔内设置有脂润滑圆柱滚动轴承，脂润滑圆柱滚动轴承与第二转子轴(20)相连。
4.根据权利要求1所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述机壳包括压缩机轴承座(8)、膨胀机轴承座(9)、与压缩机轴承座(8)相连的压缩机转子腔(5)、与膨胀机轴承座(9)相连的膨胀机转子腔(1)，以及连接于压缩机转子腔(5)与膨胀机转子腔(1)之间的中间段壳体(4)；压缩机阳转子(6)和压缩机阴转子(7)设置于压缩机转子腔(5)内，膨胀机阳转子(2)和膨胀机阴转子(3)设置于膨胀机转子腔(1)内。
5.根据权利要求4所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述膨胀机轴承座(9)或压缩机轴承座(8)内设置有相互啮合的第一自润滑同步齿轮(17)和第二自润滑同步齿轮(16)，第一自润滑同步齿轮(17)与第一转子轴(21)相连，第二自润滑同步齿轮(16)与第二转子轴(20)相连。
6.根据权利要求4所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述膨胀机轴承座(9)包括第一轴承腔和第二轴承腔，第一轴承腔和第二轴承腔内分别设置有与第一转子轴(21)和第二转子轴(20)对应相连的脂润滑角接触球轴承(12)。
7.根据权利要求4所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述机壳上设置有压缩机高压排气口、压缩机低压进气口、膨胀机低压排气口及膨胀机高压进气口，压缩机高压排气口和压缩机低压进气口相对于压缩机阴、阳转子轴线所在水平面采用上下相对设置，膨胀机低压排气口和膨胀机高压进气口相对于膨胀机阴、阳转子轴线所在水平面采用上下相对设置。
8.根据权利要求7所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述膨胀机低压排气口采用设置于膨胀机轴承座(9)上的轴向孔口，压缩机低压进气口采用设置于压缩机轴承座(8)上的轴向孔口。
9.根据权利要求8所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩机轴承座(8)包括向压缩机转子腔(5)内凸出的第一伸出轴和第二伸出轴，压缩机阴转子(7)的进气侧端面上开设有与第一伸出轴位置对应的压缩机转子轴承安装凹孔，压缩机阳转子(6)的进气侧端面上开设有与第二伸出轴位置对应的压缩机转子轴承安装凹孔，第一伸出轴以及第二伸出轴分别与设置在对应压缩机转子轴承安装凹孔内的脂润滑圆柱滚动轴承(10)相连。
10.根据权利要求8所述一种燃料电池用双螺杆压缩膨胀一体机，其特征在于：所述压缩机高压排气口包括通过压缩机转子腔(5)壁面连通至机体外部的压缩机高压轴向排气孔口，压缩机高压轴向排气孔口为开设于中间段壳体(4)一端上的缺口，所述膨胀机高压进气口包括通过膨胀机转子腔(1)壁面连通至机体外部的膨胀机高压轴向进气孔口，膨胀机高压轴向进气孔口为开设于中间段壳体(4)另一端上的缺口；中间段壳体(4)面向压缩机转子腔(5)的一端上还分别开设有与第一转子轴(21)和第二转子轴(20)同心的密封安装凹孔，密封安装凹孔内设置有非接触式密封(19)，非接触式密封(19)与对应转子轴相连，且非接触式密封(19)与密封安装凹孔间隙配合。
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