CN112780562A - 一种循环泵体和燃料电池用容积式反应气循环泵装置 - Google Patents

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Abstract

一种循环泵体和燃料电池用容积式反应气循环泵装置，循环泵体包括：主动轴、从动轴、齿轮端盖、输入端盖、泵体、输出端盖、主动齿轮、从动齿轮、主动转子和被动转子。本发明采用自补偿分体错位式同步齿轮传动，位于齿轮腔和泵腔连接处的主动轴、从动轴均采用阶梯式串联两级密封结构进行密封处理；循环泵体结构采用一端固定、一端游动的支撑方式。本发明通过分体错位自补偿齿轮及金属‑非金属配对使用，使得循环泵的寿命高于2000h，噪声低于65dB(A)；通过高容积效率型线优化及电机‑循环泵一体化设计，提高系统流量、压升，整个装置流量600L/min，压升40kPa。

Description

一种循环泵体和燃料电池用容积式反应气循环泵装置
技术领域
本发明涉及一种循环泵体和燃料电池用容积式反应气循环泵装置，属于气体循环泵技术领域。
背景技术
气体循环泵装置是燃料电池气体供给系统的重要组成部分，其主要作用是为对闭式氢氧燃料电池反应后排出电堆的富余氢气、氧气重新进行加压后再次供给燃料电池使用。常规的闭式氢氧燃料电池系统中，采用间歇排气方式，即电堆反应过程中，间歇性的排出未反应的氢气、氧气，以提高单池电压。
密闭空间用氢氧燃料电池要求产品具有较高的比功率、比能量及物质利用率。作为供气系统的主要组成部分，采用气体循环泵循环利用反应气，能够提高系统效率，在军工领域具有同样广泛的应用前景，同时氢气循环泵可在地面燃料电池车中广泛使用，具有较高的经济价值。采用容积式气体循环泵进行工质循环利用，不会对气体产生压缩，同时流量大、压升高，且不会对工质产生污染，在闭式氢氧燃料电池系统上具备较强的应用前景，能够为高效燃料电池供气系统设计提供技术支撑。
现有的燃料电池气体循环泵多采用单一的密封结构，密封圈压缩量过大则循环泵寿命短，压缩量过小则存在油气泄露污染工质的风险，不能同时满足内泄漏及寿命要求。同时现有的循环泵间隙大，齿轮传动精度要求低，从而导致循环泵回流大，不能满足压升需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种循环泵体和燃料电池用容积式反应气循环泵装置，用于解决现有技术循环泵流量小、压升低、寿命短等难点。
本发明的技术方案是：
一种循环泵体，包括：主动轴、从动轴、齿轮端盖、输入端盖、泵体、输出端盖、主动齿轮、从动齿轮、主动转子和被动转子；
主动轴上固定安装主动齿轮和主动转子，从动轴上固定安装从动齿轮和被动转子；
主动齿轮为金属材料，从动齿轮为非金属材料；主动齿轮和从动齿轮互相啮合；通过将主动齿轮分体处理为两个定量错位配合的零件使主动齿轮和从动齿轮之间的侧隙为零；
输入端盖的一侧与齿轮端盖之间形成齿轮腔，输出端盖的另一侧与泵体及输出端盖之间形成泵腔；
位于齿轮腔和泵腔连接处的主动轴、从动轴均采用阶梯式串联两级密封结构进行密封处理；
泵体上设置有进气口和出气口。
进气口的轴线和出气口的轴线同轴且垂直于主动轴和从动轴构成的平面；进气口轴线与主动轴之间的距离等于进气口轴线与从动轴之间的距离。
位于齿轮腔和泵腔连接处的主动轴、从动轴分别安装有一对角接触轴承；所述阶梯式串联两级密封结构位于角接触轴承朝向泵腔的一侧；
所述阶梯式串联两级密封结构包括由外至内沿轴向依次设置的第一密封件及第二密封件；
第二密封件采用迷宫密封，第二密封件包括：动环和静环；
静环固定安装在输入端盖上，静环套装在动环的外侧；主动轴和从动轴上分别安装有动环，动环能够相对静环转动；
动环的螺纹和静环的螺纹旋向相反。
动环和静环的螺纹牙型截面形状为梯形螺纹或矩形螺纹或三角形螺纹中任意其一。
主动轴与输出端盖之间、从动轴与输出端盖之间均通过深沟球轴承及第三密封件连接；第三密封件位于深沟球轴承的内侧，第三密封件用于防止深沟球轴承的轴承润滑油进入泵腔。
第三密封件采用骨架油封进行密封。
第一密封件采用骨架油封进行密封。
主动转子和被动转子均为多叶扭叶式转子。
在主动齿轮分体处理前，测量获得主动齿轮和从动齿轮两者之间的齿轮侧隙；
所述分体处理将主动齿轮分割为上主动齿轮与下主动齿轮；上主动齿轮与下主动齿轮的齿宽均等于从动齿轮齿宽的一半；
上主动齿轮与下主动齿轮之间进行同轴且齿牙错位连接，使得任意啮合传动过程中，从动齿轮始终与上主动齿轮或下主动齿轮两者其一接触。
一种燃料电池用容积式反应气循环泵装置，具有驱动电机、消声器、控制器和上面所述的循环泵体。
消声器用于降低机械噪声及气动噪声，消声器设置在泵体的出气口处。
驱动电机用于驱动主动轴转动，控制器用于调整控制主动轴的转动速度。
驱动电机采用直流无刷伺服电机。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明为多叶扭叶罗茨式循环泵结构，通过串联式组合密封实现内漏小于1×10- 5Pa·m3/s；通过分体错位自补偿齿轮及金属-非金属配对使用，循环泵寿命高于2000h，噪声低于65dB(A)；通过高容积效率型线优化及电机-循环泵一体化设计，提高系统流量、压升，整个装置流量600L/min，压升40kPa。
附图说明
图1为本发明燃料电池用容积式反应气循环泵装置图；
图2为本发明循环泵体结构局部剖视图；
图3为本发明阶梯式串联两级密封结构轴向剖视图；
图4为本发明一实施例中迷宫密封截面结构图；
图5(a)为本发明自补偿分体错位式齿轮驱动轴侧图；
图5(b)为本发明自补偿分体错位式齿轮驱动轴向视图；
图5(c)为图5(b)中A处的局部放大图；
图6为本发明主动齿轮和从动齿轮啮合位置以及迷宫密封位置结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明燃料电池用容积式反应气循环泵装置包括：循环泵体1、驱动电机2、控制器3和消声器4。其中，循环泵体1采用多叶扭叶罗茨式结构，循环泵体1的内部通过一对同步齿轮驱动互不接触的两个转子进行运动，实现气体的输送。驱动电机2采用直流无刷伺服电机，并配置可调转速控制器3，用于驱动循环泵体1运行。循环泵体1的出气口加装被动式的消声器4，消声器4用于降低机械噪声及气动噪声。
循环泵体1结构采用一端固定、一端游动的支撑方式，固定端为背靠背角接触球轴承121，游动端为深沟球轴承141。具体如图3和图6所示，输入端盖12上安装一对角接触轴承121、第一密封件123及第二密封件124，输入端盖12作为固定支撑端；输出端盖14上安装第一深沟球轴承141及第三密封件142，输出端盖14作为游动支撑端。主动轴右侧通过第二深沟球轴承和第四密封件，第四密封件位于第二深沟球轴承的内侧。
驱动电机2输入力矩通过主动齿轮1011传递给从动齿轮1012，带动2个转子(主动转子1021和从动转子1022)做反向运动。主动转子1021和从动转子1022与泵体13之间形成气体容腔，通过旋转运动，将工质从低压端(入口)传输至高压端(出口)。主动齿轮1011与从动齿轮1012采用油润滑的方式进行润滑，角接触轴承121与深沟球轴承141采用脂润滑。
本发明驱动电机2与主动轴一体化设计，防止外漏，齿轮端盖11与输入端盖12、输入端盖12与泵体13、泵体13与输出端盖14的连接方式为全焊接结构形式，保证整体外漏优于1×10-7Pa·m3/s。主动齿轮1011采用金属材料，从动齿轮1012采用具有自润滑效果的非金属材料(PEEK)，有效提高寿命，降低噪声。
如图2所示，本发明一种循环泵体，包括：主动轴、从动轴、齿轮端盖11、输入端盖12、泵体13、输出端盖14、主动齿轮1011、从动齿轮1012、主动转子1021和被动转子1022。
如图6所示，主动轴上固定安装主动齿轮1011和主动转子1021，从动轴上固定安装从动齿轮1012和被动转子1022；主动齿轮1011为金属材料，从动齿轮1012为非金属材料。优选的，主动转子1021与主动齿轮1011通过第一胀紧套固连，从动转子1022与从动齿轮1012通过第二胀紧套固连。
主动齿轮1011和从动齿轮1012互相啮合并使用润滑油进行润滑，主动齿轮1011和从动齿轮1012的模数、齿数及厚度等参数均相同。通过将主动齿轮1011分体处理为两个定量错位配合的零件使主动齿轮1011和从动齿轮1012之间的侧隙为零，即在主动齿轮1011固定时，从动齿轮1012的圆周晃动量为零。其中，两个分体处理的零件的错位量等于分体处理前主动齿轮1011与从动齿轮1012两者之间的齿轮侧隙。
如图2所示，输入端盖12的一侧与齿轮端盖11之间形成齿轮腔101，输出端盖12的另一侧与泵体13及输出端盖14之间形成泵腔102；位于齿轮腔101和泵腔102连接处的主动轴、从动轴均采用阶梯式串联两级密封结构进行密封处理。
泵体13上设置有进气口和出气口。进气口的轴线和出气口的轴线同轴且垂直于主动轴和从动轴构成的平面；进气口轴线与主动轴之间的距离等于进气口轴线与从动轴之间的距离。
如图3所示，位于齿轮腔101和泵腔102连接处的主动轴、从动轴分别安装有一对角接触轴承121；所述阶梯式串联两级密封结构位于角接触轴承121朝向泵腔102的一侧；所述阶梯式串联两级密封结构包括由外至内沿轴向依次设置的第一密封件123及第二密封件124；第一密封件123与主动轴、从动轴之间过渡配合，第二密封件124与主动轴、从动轴之间间隙配合，构成阶梯式公差配合。
主动轴和从动轴上的第二密封件124均采用迷宫密封，第二密封件124包括：动环1241和静环1242。两个静环1242固定安装在输入端盖12上，静环1242套装在动环1241的外侧；主动轴和从动轴上分别安装有动环1241，动环1241能够相对静环1242转动；通过动环1241和静环1242相对旋转形成压差，防止齿轮腔101内的油气泄露进入泵腔102。
动环1241的螺纹和静环1242的螺纹旋向相反。本发明实施例中动环1241上设计左旋多头螺纹，静环1242上设计同参数的右旋多头螺纹。
动环1241和静环1242的螺纹牙型截面形状为梯形螺纹或矩形螺纹或三角形螺纹中任意其一。如图4所示，槽深h为0.3-0.5，槽宽b与楞宽a之比为3-6，有效齿数不少于5；，从动转子1022处迷宫密封动环为右旋螺纹，静环1242为左旋螺纹；动环1241及静环1242之间采用间隙配合，动环1241及静环1242之间的间隙c取值范围为0.07-0.12，降低泄露，如图4所示。
主动轴与输出端盖14之间、从动轴与输出端盖14之间均通过深沟球轴承141及第三密封件142连接；第三密封件142位于深沟球轴承141的内侧，第三密封件142用于防止深沟球轴承141的轴承润滑油进入泵腔102。
第三密封件142采用骨架油封进行密封。
第一密封件123采用骨架油封进行密封，第一密封件123用于防止齿轮腔101的润滑油及角接触轴承121的润滑脂进入泵腔102，此处从动轴和第一密封件123之间采用过渡配合(-0.05-+0.05)，保证寿命。
主动转子1021和被动转子1022均为多叶扭叶式转子。型线由渐开线-圆弧-过渡段组成。
本发明采用自补偿分体错位式同步齿轮传动。在主动齿轮1011分体处理前，测量获得主动齿轮1011和从动齿轮1012两者之间的齿轮侧隙。
所述分体处理将主动齿轮1011分割为上主动齿轮10111与下主动齿轮10112；上主动齿轮10111与下主动齿轮10112的齿宽均等于从动齿轮1012齿宽的一半。
上主动齿轮10111与下主动齿轮10112之间通过定位销10113进行同轴且齿牙错位连接，使得任意啮合传动过程中，从动齿轮1012始终与上主动齿轮10111或下主动齿轮10112两者其一接触。即从动齿轮1012的圆周晃动量为零。
如图5(b)(c)所示，上主动齿轮10111与下主动齿轮10112之间错位安装，其中上主动齿轮10111的齿牙与从动齿轮1012的左侧齿面完全接触，下主动齿轮10112的齿牙与从动齿轮1012的右侧齿面完全接触，消除齿轮侧隙。上主动齿轮10111与下主动齿轮10112之间的定量错位配合确定后，使用定位销10113及螺钉将上主动齿轮10111与下主动齿轮10112装配成整体，如图5(a)所示。
本发明中，为了保证循环泵的压升，需要对主、从动转子间隙进行精确控制，间隙为0.06-0.08mm(常规循环泵的间隙取值范文为0.15-0.2mm)以减小气体从间隙回流的损失，为实现间隙的精确控制，要求传动用的同步齿轮制造精度高(0.15mm-0.2间隙约为6-7级精度齿轮)，本发明中的循环泵为了保证流量要求600L/min(常规为400L/min)，在同样尺寸下，循环泵轴向长度增加，刚度变弱，进一步增加对齿轮的精度要求。同时为了减少同步齿轮传动过程中的噪声问题，本发明提出了一种金属齿轮啮合非金属齿轮的思路，这就要求金属齿轮及非金属齿轮精度在5级及以上，加工成本高、合格率低。同时由于非金属尺寸稳定性差，齿轮加工精度难以控制(一般为7-8级)，难以满足本项目需求，因此提出了一种基于错位安装的齿轮传动精度控制方法，即采用分体错位的方法减小齿轮传动过程中的侧隙，保证转子间隙。具体的操作为加工6级金属齿轮及7级非金属齿轮，使用精密定位工装保证转子间隙，在此基础上，定位金属齿轮及非金属齿轮，测量其实际的齿轮侧隙。将金属齿轮(即主动齿轮1011)采用低应力加工方法(例如线切割)分为两个分体齿轮(即上主动齿轮10111与下主动齿轮10112)，分体齿轮错位安装，两个分体齿轮的错位量等于在先测量获得的实际的齿轮侧隙，并通过销钉进行定位，形成整体后安装于循环泵上，从而在降低齿轮加工精度的基础上，实现非金属齿轮与金属齿轮的精密啮合传动，实现加工要求低，成本低、传动精度高的目的。
如图1所示，本发明一种燃料电池用容积式反应气循环泵装置，具有驱动电机2、控制器3、消声器4和上述的循环泵体。消声器4用于降低机械噪声及气动噪声，消声器4设置在泵体13的出气口处。驱动电机2用于驱动循环泵体的主动轴转动，控制器3用于调整控制循环泵体主动轴的转动速度。驱动电机2采用直流无刷伺服电机。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (13)

1.一种循环泵体，其特征在于，包括：主动轴、从动轴、齿轮端盖(11)、输入端盖(12)、泵体(13)、输出端盖(14)、主动齿轮(1011)、从动齿轮(1012)、主动转子(1021)和被动转子(1022)；
主动轴上固定安装主动齿轮(1011)和主动转子(1021)，从动轴上固定安装从动齿轮(1012)和被动转子(1022)；
主动齿轮(1011)为金属材料，从动齿轮(1012)为非金属材料；主动齿轮(1011)和从动齿轮(1012)互相啮合；通过将主动齿轮(1011)分体处理为两个定量错位配合的零件使主动齿轮(1011)和从动齿轮(1012)之间的侧隙为零；
输入端盖(12)的一侧与齿轮端盖(11)之间形成齿轮腔(101)，输出端盖(12)的另一侧与泵体(13)及输出端盖(14)之间形成泵腔(102)；
位于齿轮腔(101)和泵腔(102)连接处的主动轴、从动轴均采用阶梯式串联两级密封结构进行密封处理；
泵体(13)上设置有进气口和出气口。
2.根据权利要求1所述的一种循环泵体，其特征在于，进气口的轴线和出气口的轴线同轴，且垂直于主动轴和从动轴构成的平面；进气口轴线与主动轴之间的距离等于进气口轴线与从动轴之间的距离。
3.根据权利要求2所述的一种循环泵体，其特征在于，位于齿轮腔(101)和泵腔(102)连接处的主动轴、从动轴分别安装有一对角接触轴承(121)；所述阶梯式串联两级密封结构位于角接触轴承(121)朝向泵腔(102)的一侧；
所述阶梯式串联两级密封结构包括由外至内沿轴向依次设置的第一密封件(123)及第二密封件(124)；
第二密封件(124)采用迷宫密封，第二密封件(124)包括：动环(1241)和静环(1242)；
静环(1242)固定安装在输入端盖(12)上，静环(1242)套装在动环(1241)的外侧；主动轴和从动轴上分别安装有动环(1241)，动环(1241)能够相对静环(1242)转动；
动环(1241)的螺纹和静环(1242)的螺纹旋向相反。
4.根据权利要求3所述的一种循环泵体，其特征在于：动环(1241)和静环(1242)的螺纹牙型截面形状为梯形螺纹或矩形螺纹或三角形螺纹中任意其一。
5.根据权利要求4所述的一种循环泵体，其特征在于：主动轴与输出端盖(14)之间、从动轴与输出端盖(14)之间均通过深沟球轴承(141)及第三密封件(142)连接；第三密封件(142)位于深沟球轴承(141)的内侧，第三密封件(142)用于防止深沟球轴承(141)的轴承润滑油进入泵腔(102)。
6.根据权利要求5所述的一种循环泵体，其特征在于：第三密封件(142)采用骨架油封进行密封。
7.根据权利要求6所述的一种循环泵体，其特征在于：第一密封件(123)采用骨架油封进行密封。
8.根据权利要求7所述的一种循环泵体，其特征在于：主动转子(1021)和被动转子(1022)均为多叶扭叶式转子。
9.根据权利要求2所述的一种循环泵体，其特征在于，在主动齿轮(1011)分体处理前，测量获得主动齿轮(1011)和从动齿轮(1012)两者之间的齿轮侧隙；
所述分体处理将主动齿轮(1011)分割为上主动齿轮(10111)与下主动齿轮(10112)；上主动齿轮(10111)与下主动齿轮(10112)的齿宽均等于从动齿轮(1012)齿宽的一半；
上主动齿轮(10111)与下主动齿轮(10112)之间进行同轴且齿牙错位连接，使得任意啮合传动过程中，从动齿轮(1012)始终与上主动齿轮(10111)或下主动齿轮(10112)两者其一接触。
10.一种燃料电池用容积式反应气循环泵装置，具有驱动电机(2)、控制器(3)和如权利要求1至9中任意一项所述的循环泵体。
11.根据权利要求10所述的一种燃料电池用容积式反应气循环泵装置，其特征在于：还包括消声器(4)；
消声器(4)用于降低机械噪声及气动噪声，消声器(4)设置在泵体(13)的出气口处。
12.根据权利要求11所述的一种燃料电池用容积式反应气循环泵装置，其特征在于，驱动电机(2)用于驱动主动轴转动，控制器(3)用于调整控制主动轴的转动速度。
13.根据权利要求12所述的一种燃料电池用容积式反应气循环泵装置，其特征在于，驱动电机(2)采用直流无刷伺服电机。
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