CN112963581A - 氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯以及制造方法，其中，三通阀阀芯包括球体，球体上设置有通过球体的圆心的贯通孔，球体的一侧打非贯通孔，非贯通孔通过球体圆心，贯通孔与非贯通孔交汇形成一曲面，曲面由构成孔壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆弧面连接而成，以使通往相对应出水口的有效过流面积变化。本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，包括：球体上设置有通过球体的圆心的贯通孔，贯通孔的直径为A；球体的一侧打非贯通孔。本发明技术方案的优点在于：制造所需的毛坯很容易从市场上买到，而且大多是304或316材料，符合应用的要求；封口板及连接板可激光切割而成，方便成本低。

Description

氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯及其制造方法
技术领域
本发明涉及机械零部件的制造，特别是涉及一种氢燃料电池冷却系统比例 三通阀阀芯及其制造方法。
背景技术
随着世界经济的不断发展，汽车总量不断攀升，全球能源需求日益增长， 环境问题愈发严重，清洁环保、节能高效的新能源越来越受到人们重视，新能 源技术的应用为能源和环境问题提供了一个很好的解决方案。其中，氢燃料电 池因为其具有零污染、低噪音、高效率、燃料含量丰富等优点，已经成为新能 源汽车发展方向之一。
氢燃料电池在进行电化学反应过程中会产生大量的热，过热会导致氢燃料 电池堆高温烧坏，而如果温度过低，会导致氢燃料电池性能下降，因此需要通 过冷却系统对温度进行合理调节，以保证氢燃料电池系统运行的安全性和高效 性。氢燃料电池系统中，在大、小循环、水泵连接处，需要一个三通阀去控制 从水泵出来的水到大小循环的比例，大循环是经过冷却风扇，用于降低系统温 度；小循环是内部循环，用于均匀各部分的温度，通过控制大小循环的比例, 可达到控制系统温度的目的。
上述三通阀有两种选择，一种是石蜡热胀冷缩驱动的节温器，一种是电 机驱动的比例三通阀。电机驱动的三通比例阀的可以主动控制，精准定位，反 应速度快，因此是未来的发展趋势。
上述电动三通比例阀的内部结构如图1、图2所示，包括：阀体、阀芯、 芯轴、盖板、密封件、进水口、出水口A、出水口B。出水口A和B分别接 大小循环的管路，进水口接水泵。(流体的方向可变，现在这种流向是分流， 即从水泵来的水可分成两路流出。这个阀也可用于合流，即从两个分支过来的 水汇流在一起，再流到水泵，这时的水泵进出口需要调换)。电机使阀芯转到 如图2所示下极限角度时，可看到出水口B给球面封住、密封。水全部留到出水口A；如图3所示，电机使阀芯转到另一个极限角度时，可看到出水口A 给球面封住、密封。水全部留到出水口B。如图4所示，阀芯转到这两个极限 位置的中间其他角度时，水可通到出口A和出口B，只不过流量比例不一样， 电机上面有角度传感器，需要什么流量比例，只需让电机停到相应的角度就可 以。水可以通到A、B两个出口，但可以看出，A口的孔应大些，A口的流量 更大。从上面的三通阀的控制原理可知，为了使控制的精度及线性更好，对上面的流道需要做更好的设计，需要更大的可调节角度，需要拉平通径变化的斜 度，现在市场上没有这种结构的标准件，为了达到此目的，需要通过机加工 达到。现有市场上的产品都是通过实心圆球做切削加工，首先需要钻进水P 口的圆孔，中间通A、B口的流道需通过电火花或加工中心铣，线切割的等办 法完成，最后要铣出可以跟电机连接轴配合的沟槽，这种方法加工量很大，浪 费很多材料；更为重要的是，这种办法加工出来的阀芯，重量偏重，驱动阀 门调整的电机需要更大的扭矩，惯量大；阀芯内部的空间也小，流体通过的 压降大。
发明内容
本发明的目的是提供一种节省材料、使阀芯重量较轻的氢燃料电池冷却系 统比例三通阀阀芯以及制造方法。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯，包括球体，所述球体上设 置有通过所述球体的圆心的贯通孔，所述球体的一侧打非贯通孔，非贯通孔通 过所述球体圆心，所述非贯通孔的轴线与所述贯通孔的轴线垂直，贯通孔与非 贯通孔交汇形成一曲面，所述曲面由构成孔壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆 弧面连接而成，所述曲面用于与相对应的密封件配合，以使通往相对应出水口 的有效过流面积变化。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯，其中，所述贯通孔的一端 焊接圆形板，在所述圆形板上焊接连接板，所述连接板上设置安装槽，所述球 体为不锈钢材质。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，包括：
得到空心球阀阀芯半成品，所述空心球阀阀芯半成品包括球体，所述球体 上设置有通过所述球体的圆心的贯通孔，所述贯通孔的直径为A；
所述球体的一侧打非贯通孔，切除所述球体的一部分，形成一曲面，所述 曲面由构成孔壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆弧面连接而成，非贯通孔与贯 通孔相交，非贯通孔通过所述球体圆心，所述非贯通孔的轴线与所述贯通孔的 轴线垂直，所述非贯通孔在所述球体的侧壁开口的直径为C，所述圆弧面的圆 心与球体的球心重合，所述圆弧面的半径为R。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据阀芯的最大的流量要求确定A的长度。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据A的直径确定C的长度，A决定进水口的有效过流面积，C决定出 水孔的有效过流面积，使A的数值与C的数值接近。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据锥形曲面相比非贯通孔的轴线的倾斜度D确定R的长度，倾斜度D 与R的长度成反比，转动一定角度时，倾斜度与流量的变化量有关。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括： 根据用于驱动所述阀芯的电机的扭矩确定密封面的宽度，所述密封面的宽度为 贯通孔的边缘到非贯通孔边缘的最短距离B，电机的扭矩与B的长度成正比。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括： 在所述贯通孔的一端焊接圆形板，在所述圆形板上焊接连接板，所述连接板上 设置安装槽，安装槽用于与芯轴配合，以传递电机的运动到阀芯。
本发明技术方案的优点在于：
1)制造所需的毛坯很容易从市场上买到，而且大多是304或316材料， 符合应用的要求；封口板及连接板可激光切割而成，方便成本低；
2)跟现有的实心球加工比，使用材料少，加工量少，材料可节省80％ 以上，加工量可省一半以上；
3)整体重量可减少40％以上(实心球理论上也可以加工到更轻，但成 本会贵更多)；
4)重量轻，驱动电机可减少扭矩，或者用相同的电机，可驱动更大流 量的阀；
5)阀芯内腔更大，流阻小。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯本身是薄壁球体，球的直径 改大后质量也不会提高很多，所以所需的扭钜也增加很少，因此不需要更换更 大的电机，即可驱动更大流量的阀。
附图说明
图1为氢燃料电池冷却系统比例三通阀的结构示意图；
图2为氢燃料电池冷却系统比例三通阀在阀芯转到一个极限角度时的结 构示意图；
图3为氢燃料电池冷却系统比例三通阀在阀芯转到另一个极限角度时的 结构示意图；
图4为氢燃料电池冷却系统比例三通阀在阀芯转到这两个极限位置的中 间其他角度时的结构示意图；
图5为氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯的结构示意图；
图6为在空心球阀阀芯半成品的一侧打非贯通孔的示意图；
图7为本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯的阀芯转到不同角 度时的有效过流面积的示意图。
具体实施方式
如图5、图6、图7所示，本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯， 包括球体1，所述球体上设置有通过所述球体的圆心的贯通孔2，所述球体的 一侧打非贯通孔3，非贯通孔通过所述球体圆心，所述非贯通孔的轴线与所述 贯通孔的轴线垂直，贯通孔与非贯通孔交汇形成一曲面4，所述曲面由构成孔 壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆弧面连接而成，所述曲面用于与相对应密封 件配合，以使通往相对应出水口的有效过流面积变化。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯，其中，所述贯通孔的一端 焊接圆形板，在所述圆形板上焊接连接板，所述连接板上设置安装槽，所述球 体为不锈钢材质。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其特征在于，包 括：
得到空心球阀阀芯半成品，所述空心球阀阀芯半成品包括球体，所述球体 上设置有通过所述球体的圆心的贯通孔，所述贯通孔的直径为A；
所述球体的一侧打非贯通孔，切除所述球体的一部分，形成一曲面，所述 曲面由构成孔壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆弧面连接而成，非贯通孔与贯 通孔相交，非贯通孔通过所述球体圆心，所述非贯通孔的轴线与所述贯通孔的 轴线垂直，所述非贯通孔在所述球体的侧壁开口的直径为C，所述圆弧面的圆 心与球体的球心重合，所述圆弧面的半径为R。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，还包括：
根据阀芯的最大的流量要求确定A的长度。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据A的直径确定C的长度，A决定进水口的有效过流面积，C决定出 水孔的有效过流面积，使A的数值与C的数值接近。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据锥形曲面相比非贯通孔的轴线的倾斜度D确定R的长度，倾斜度D 与R的长度成反比，转动一定角度时，倾斜度与流量的变化量有关。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括： 根据用于驱动所述阀芯的电机的扭矩确定密封面的宽度，所述密封面的宽度为 贯通孔的边缘到非贯通孔边缘的最短距离B，电机的扭矩与B的长度成正比。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括： 在所述贯通孔的一端焊接圆形板，在所述圆形板上焊接连接板，所述连接板上 设置安装槽，安装槽用于与芯轴配合，以传递电机的运动到阀芯。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，包括：
得到空心球阀阀芯半成品，空心球阀阀芯半成品包括球体，球体上设置有 通过球体的圆心的贯通孔，贯通孔的直径为A；
球体的一侧打非贯通孔，切除球体的一部分，形成一曲面，曲面由构成孔 壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆弧面连接而成，非贯通孔与贯通孔相交，非 贯通孔通过球体圆心，非贯通孔的轴线与贯通孔的轴线垂直，非贯通孔在球体 的侧壁开口的直径为C，圆弧面的圆心与球体的球心重合，圆弧面的半径为R。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据阀芯的最大的流量要求确定A的长度。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据A的直径确定C的长度。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括：
根据锥形曲面相比非贯通孔的轴线的倾斜度D确定R的长度，倾斜度D 与R的长度成反比。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括： 根据用于驱动阀芯的电机的扭矩确定密封面的宽度，密封面的宽度为贯通孔的 边缘到非贯通孔边缘的最短距离B，电机的扭矩与B的长度成正比。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其中，还包括： 在贯通孔的一端焊接圆形板，在圆形板上焊接连接板，连接板上设置安装槽。
本发明不采用实心球加工阀芯，而是使用市场上很通用的空心两通球阀的 标准阀芯的半成品，其外形看起来是对薄壁球对称做切面，形成两个同轴及直 径相同的孔。实际上这两个孔是在卷料成型就需要留有的，后期球面车切削也 需要这两个孔作为固定及夹紧之用。右边为两通球阀的标准阀芯成品，是用半 成品焊上圆管封闭，圆管的内腔就成为为两通球阀的流道。
这种阀芯通过钢板锻压成圆弧型的带料，再弯曲对接，焊接成球型，上 车床切削到标准尺寸后抛光。
1)利用空心球阀阀芯半成品毛坯做进一步的加工，根据流量的要求选出 符合进水口通径要求的空心球阀阀芯半成品，跟据比例控制的要求，设计出 流道切口的CAD图，通过线切割切出。
空心球阀阀芯半成品的一个通孔，将做为本阀芯的进水孔，其直径设定为 A,在球的一侧，做一个贯穿切除，贯穿截面为：开口为C,R是以球心为圆 心的圆弧的半径，通过开口e和f到圆弧的切线连接形成贯穿横截面。
A、C应该大小接近，根据最大的流量要求而定，R的大小由要求的调 整的斜度D决定，但斜度越小，R越大，驱动电机需要更大摆动角度。B也需 保证，它是密封件跟阀体的接触的密封面，需要一定的值，才能起到密封作用， 但越大，摩擦力越大，需要更大的电机扭矩，这里还有一个重要的参数，就是 球体的直径，球体的直径跟A是成正比。市场上的标准两通球阀，球的直径 及通道大小A都有固定的数值。
如图7所示，圆是密封件的过流孔，其跟贯穿曲面的开口紧贴配合，形成 有效的流体通道，圈100及圈200是阀芯转到不同角度时的有效过流面积，圈 200比圈100大。
本发明技术方案的优点在于：
1)制造所需的毛坯很容易从市场上买到，而且大多是304或316材料， 符合应用的要求；封口板及连接板可激光切割而成，方便成本低；
2)跟现有的实心球加工比，使用材料少，加工量少，材料可节省80％ 以上，加工量可省一半以上；
3)整体重量可减少40％以上(实心球理论上也可以加工到更轻，但成 本会贵更多)；
4)重量轻，驱动电机可减少扭矩，或者用相同的电机，可驱动更大流 量的阀；
5)阀芯内腔更大，流阻小。
本发明的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯本身是薄壁球体，球的直径 改大后质量也不会提高很多，所以所需的扭钜也增加很少，因此不需要更换更 大的电机，即可驱动更大流量的阀。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯，其特征在于，包括球体，所述球体上设置有通过所述球体的圆心的贯通孔，所述球体的一侧打非贯通孔，非贯通孔通过所述球体圆心，所述非贯通孔的轴线与所述贯通孔的轴线垂直，贯通孔与非贯通孔交汇形成一曲面，所述曲面由构成孔壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆弧面连接而成，所述曲面用于与相对应的密封件配合，以使通往相对应出水口的有效过流面积变化。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯，其特征在于，所述贯通孔的一端焊接圆形板，在所述圆形板上焊接连接板，所述连接板上设置安装槽，所述球体为不锈钢材质。
3.一种氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其特征在于，包括：
得到空心球阀阀芯半成品，所述空心球阀阀芯半成品包括球体，所述球体上设置有通过所述球体的圆心的贯通孔，所述贯通孔的直径为A；
所述球体的一侧打非贯通孔，切除所述球体的一部分，形成一曲面，所述曲面由构成孔壁的锥形曲面以及构成孔底壁的圆弧面连接而成，非贯通孔与贯通孔相交，非贯通孔通过所述球体圆心，所述非贯通孔的轴线与所述贯通孔的轴线垂直，所述非贯通孔在所述球体的侧壁开口的直径为C，所述圆弧面的圆心与球体的球心重合，所述圆弧面的半径为R。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其特征在于，还包括：
根据阀芯的最大的流量要求确定A的长度。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其特征在于，还包括：
根据A的直径确定C的长度，A决定进水口的有效过流面积，C决定出水孔的有效过流面积，使A的数值与C的数值接近。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其特征在于，还包括：
根据锥形曲面相比非贯通孔的轴线的倾斜度D确定R的长度，倾斜度D与R的长度成反比，转动一定角度时，倾斜度与流量的变化量有关。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其特征在于，还包括：根据用于驱动所述阀芯的电机的扭矩确定密封面的宽度，所述密封面的宽度为贯通孔的边缘到非贯通孔边缘的最短距离B，电机的扭矩与B的长度成正比。
8.根据权利要求7所述的氢燃料电池冷却系统比例三通阀阀芯制造方法，其特征在于，还包括：在所述贯通孔的一端焊接圆形板，在所述圆形板上焊接连接板，所述连接板上设置安装槽，安装槽用于与芯轴配合，以传递电机的运动到阀芯。
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