CN113048076A - 一种空气压缩和膨胀一体装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种空气压缩和膨胀一体装置，涉及燃料电池空气增压系统技术领域。该装置包括蜗壳和设置在其内的膨胀压缩叶轮，膨胀压缩叶轮包括第一轮盘和设置在其上的多个第一叶片，第一叶片的外侧设置第二轮盘，第二轮盘上设有多个第二叶片；转轴的第一端与膨胀压缩叶轮固连，转轴的第二端连接驱动电机的输出轴；蜗壳与第二轮盘之间设有扩压器，扩压器将蜗壳的内腔分隔为膨胀腔和压缩腔；膨胀腔的侧壁上设有第一进气口和第一排气口，第一进气口的中心线与膨胀压缩叶轮的轴线垂直；第一排气口的中心线与膨胀压缩叶轮的轴线重合；第一轮盘的与第二轮盘之间形成第二进气口，压缩腔上设有第二排气口，第二排气口的中心线与膨胀压缩叶轮的轴线垂直。

Description

一种空气压缩和膨胀一体装置
技术领域
本申请涉及燃料电池空气增压系统技术领域，尤其涉及一种空气压缩和膨胀一体装置。
背景技术
空压机是车用燃料电池系统阴极供气系统的重要部件，通过对燃料电池堆的进口空气进行增压，同时起到提高燃料电池功率密度和效率、减小燃料电池尺寸、利于水热管理等作用。
由于离心式压气机在工作时，通过膨胀压缩叶轮旋转，对气体工质做功，将气体甩到膨胀压缩叶轮后的固定元件中，进而在膨胀压缩叶轮中形成真空区域以吸进外部新鲜工质，膨胀压缩叶轮的不断旋转可以保证气体工质的连续运动。因此，相较于传统使用的滑片式、涡旋式、螺杆式等循环泵，其具有体积小、重量轻、噪音小等优点，被认为是最有前途的空气增压方式。但是燃料电池电流密度与氧气分压成正比关系，这就要求空压机提供很高的压头从而提高氧气的分压力。而随着电堆入口空气压力提升，出口尾气的压力也会随之提升，为了避免入口尾气中过剩能量的浪费，现有技术是在空压机一侧引入膨胀机进行尾气能量回收，从而降低系统的功耗。而膨胀机的引入，又会带来系统布置困难、空压机载荷分布不均等一系列技术问题
发明内容
本申请的实施例提供一种空气压缩和膨胀一体装置，既解决了燃料电池空气增压系统上尾气能量浪费的问题，又克服了在添置膨胀轮进行尾气回收后空压机尺寸过大、轴向载荷无法平衡的问题。
为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种空气压缩和膨胀一体装置，包括蜗壳；膨胀压缩叶轮，所述膨胀压缩叶轮设置在所述蜗壳内，所述膨胀压缩叶轮包括第一轮盘和设置在第一轮盘上的多个第一叶片，所述第一叶片的外侧设置第二轮盘，所述第二轮盘上设有多个第二叶片；转轴，所述转轴的第一端与所述膨胀压缩叶轮固连，所述转轴的第二端用于连接驱动电机的输出轴；扩压器，设置在所述蜗壳与所述第二轮盘之间，并将所述蜗壳的内腔分隔为膨胀腔和压缩腔；所述膨胀腔的侧壁上设有第一进气口和第一排气口，所述第一进气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线垂直，且朝向所述膨胀压缩叶轮设置；所述第一排气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线重合；所述第一轮盘的上部与所述第二轮盘的上部之间形成第二进气口，所述压缩腔的侧壁上设有第二排气口，所述第二排气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线垂直，且朝向所述膨胀压缩叶轮设置。
进一步地，所述扩压器为环状板，所述扩压器位于所述第二轮盘下部的外圆面上且与所述第二轮盘一体成型。
进一步地，所述蜗壳包括沿轴向设置的第一环形管部和第二环形管部，所述第一进气口设置在所述第一环形管部的侧壁上；所述第一环形管部远离所述第二环形管部的一侧设有排气管；所述排气管与所述第二轮盘的上部之间形成所述第一排气口；所述第二排气口设置在所述第二环形管部的侧壁上。
进一步地，所述第一进气口的口部设有第一进气管道；所述第二排气口的口部设有第一排气管道。
进一步地，所述蜗壳包括沿所述膨胀压缩叶轮的轴线并排设置的第一子蜗壳和第二子蜗壳；所述第一子蜗壳包括所述第一环形管部、所述排气管和所述第一进气管道，所述第二子蜗壳包括所述第二环形管部和所述第一排气管道；所述第一子蜗壳和所述第二子蜗壳相互扣合。
进一步地，所述蜗壳内还设有压盖，所述压盖的下端与所述第二环形管部的侧壁密封连接，所述压盖的上端与所述扩压器之间具有间隙，所述间隙连通所述第二进气口和所述压缩腔。
进一步地，所述压盖上设有凹槽，所述第一轮盘的下部位于所述凹槽内。
进一步地，扩压器靠近膨胀腔的端面上设有叶片喷嘴环，叶片喷嘴环远离扩压器的外边缘设置。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：
1、本申请通过采用一体式的膨胀压缩叶轮和一体式壳体，既解决了燃料电池空气增压系统上尾气能量浪费的问题，又克服了在添置膨胀轮进行尾气回收后空压机尺寸过大、轴向载荷无法平衡的问题。
2、本申请中的膨胀压缩叶轮包括第一轮盘和设置在第一轮盘上的多个第一叶片，第一叶片的外侧设置第二轮盘，第二轮盘上设有多个第二叶片，其中，第一轮盘、第一叶片和第二轮盘共同形成了压缩轮，第二轮盘和第二叶片共同形成膨胀轮，第二轮盘即为压缩轮的轮盖也为膨胀轮的轮盘，压缩轮、第二轮盘和第二叶片形成的闭式结构保证了第一叶片的强度，同时，第二叶片也起到了加强筋的作用，由此，在提高整机紧凑性的同时还延长了叶轮的使用寿命。
3、本申请中的膨胀轮和压缩轮为一体式结构，因此可以设置在转轴的同一侧同一方向，能够实现二者轴向载荷的自动抵消，大大缓解了燃料电池空气增压系统轴向载荷分布不均的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例空气压缩和膨胀一体装置的剖视图；
图2为本申请实施例空气压缩和膨胀一体装置的立体结构示意图；
图3为本申请实施例中膨胀压缩叶轮的立体结构示意图；
图4为本申请实施例中第一子蜗壳的一个角度立体结构示意图；
图5为本申请实施例中第一子蜗壳另一个角度的立体结构示意图；
图6为本申请实施例中第二子蜗壳一个角度的立体结构示意图；
图7为本申请实施例中第二子蜗壳另一个角度的立体结构示意图；
图8为本申请实施例中转轴的立体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图1，本申请实施例提供了一种空气压缩和膨胀一体装置，包括蜗壳1和设置在蜗壳1内的膨胀压缩叶轮2。参照图1和图2，膨胀压缩叶轮2包括第一轮盘21和设置在第一轮盘21上的多个第一叶片22，第一叶片22的外侧设置第二轮盘23，第二轮盘23上设有多个第二叶片24。第一轮盘21、第一叶片22和第二轮盘23共同形成了压缩轮，第二轮盘23和第二叶片24共同形成膨胀轮，第二轮盘23即为压缩轮的轮盖也为膨胀轮的轮盘。转轴3的第一端与膨胀压缩叶轮2固连，转轴3的第二端用于连接驱动电机(图中未示)的输出轴。
蜗壳1与第二轮盘23之间设有扩压器4，扩压器4将蜗壳1的内腔分隔为膨胀腔5和压缩腔6。膨胀腔5的侧壁上设有第一进气口51和第一排气口52，第一进气口51的中心线与膨胀压缩叶轮2的轴线垂直，且朝向膨胀压缩叶轮2设置。第一排气口52的中心线与膨胀压缩叶轮2的轴线重合。第一轮盘21的上部与第二轮盘23的上部之间形成第二进气口61，压缩腔6的侧壁上设有第二排气口62，第二排气口62的中心线与膨胀压缩叶轮2的轴线垂直，且朝向膨胀压缩叶轮2设置。
为了减少零部件的数量，简化拆装步骤，在一些实施例中，扩压器4为环形且与第二轮盘23一体成型，即第二轮盘23的下边缘沿水平方向延伸形成的延伸部即为扩压器4。在另一些实施例中，扩压器4也可以为设置在第二轮盘23的下边缘与蜗壳1之间的环形板，该结构可以降低膨胀压缩叶轮2的加工难度，也便于安装。
参照图3，在一些实施例中，扩压器4靠近膨胀腔5的端面上设有叶片喷嘴环26，叶片喷嘴环26远离扩压器4的外边缘设置。由此，需要膨胀的气体进入第一环形管部11后被均匀地分配到叶片喷嘴环26内进行初步膨胀，初步膨胀后的气体再进入膨胀轮被二次膨胀，最后排出，由此，可以提升气体的回收效果。具体的，叶片喷嘴环26可与膨胀压缩叶轮2的其它部分一体铸造而成。参照图1和图2，在一些实施例中，蜗壳1包括沿轴向设置的第一环形管部11和第二环形管部12，第一进气口51设置在第一环形管部11的侧壁上。第一环形管部11远离第二环形管部12的一侧设有排气管13，排气管13与第二轮盘23的上部之间形成第一排气口52，第二排气口62设置在第二环形管部12的侧壁上。
为了膨胀前的气体进入及压缩后的气体收集更方便，在一些实施例中，第一进气口51的口部设有第一进气管道111，第二排气口62的口部设有第一排气管道121。
参照图4至图7，当采用扩压器4与第二轮盘23一体成型的结构时，在一些实施例中，蜗壳1包括沿膨胀压缩叶轮2的轴线并排设置的第一子蜗壳13和第二子蜗壳14，第一子蜗壳13包括第一环形管部11、排气管13和第一进气管道111，第二子蜗壳14包括第二环形管部12和第一排气管道121，第一子蜗壳13和第二子蜗壳14相互扣合。
参照图1和图3，在一些实施例中，为了方便压缩叶轮2的轴向安装，蜗壳1内还设有压盖7，压盖7的下端与第二环形管部12的侧壁密封连接，压盖7的上端与扩压器4之间具有间隙，该间隙连通第二进气口61和压缩腔6形成扩压通道，该扩压通道让压缩轮压缩的气体被扩压后再进入蜗壳1的环形通道。在一些实施例中，为了在安装膨胀压缩叶轮2时便于找正，压盖7上设有凹槽，第一轮盘21的下部位于凹槽内，且第一轮盘21大端的上端面不高于压盖7的上端面。
参照图1和图8，膨胀压缩叶轮2与转轴3螺纹连接，具体的，膨胀压缩叶轮2的内部设有沿轴向贯通的第一通孔25。转轴3的第一端设有外螺纹31，第一通孔25的相应位置设有与外螺纹31相适配的内螺纹。为了安装的更牢靠，第一通孔25的内壁与转轴3的外圆之间可以粘接也可以过盈配合。
参照图1和图2，本申请实施例空气压缩和膨胀一体装置工作时，需要压缩轮压缩的气体，由第二进气口61进入，先被压缩轮压缩，然后经扩压器4扩压后，再依次流经第二环形管部12和第二排气口62后被收集。
需要膨胀轮回收的气体，由第一进气口51进入，流经第一环形管部11后被均匀地分配到叶片喷嘴环26内进行初步膨胀，初步膨胀后的气体再推动膨胀压缩叶轮2转动，做功后的气体，最后经第一排气口52排放至空气中，由此，可实现膨胀和压缩的同步进行，节省驱动电机带动膨胀压缩叶轮2转动的能量。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，包括：
蜗壳；
膨胀压缩叶轮，所述膨胀压缩叶轮设置在所述蜗壳内，所述膨胀压缩叶轮包括第一轮盘和设置在第一轮盘上的多个第一叶片，所述第一叶片的外侧设置第二轮盘，所述第二轮盘上设有多个第二叶片；
转轴，所述转轴的第一端与所述膨胀压缩叶轮固连，所述转轴的第二端用于连接驱动电机的输出轴；
扩压器，设置在所述蜗壳与所述第二轮盘之间，并将所述蜗壳的内腔分隔为膨胀腔和压缩腔；
所述膨胀腔的侧壁上设有第一进气口和第一排气口，所述第一进气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线垂直，且朝向所述膨胀压缩叶轮设置；所述第一排气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线重合；所述第一轮盘的上部与所述第二轮盘的上部之间形成第二进气口，所述压缩腔的侧壁上设有第二排气口，所述第二排气口的中心线与所述膨胀压缩叶轮的轴线垂直，且朝向所述膨胀压缩叶轮设置。
2.根据权利要求1所述的空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，所述扩压器为环状板，所述扩压器位于所述第二轮盘下部的外圆面上且与所述第二轮盘一体成型。
3.根据权利要求2所述的空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，
所述蜗壳包括沿轴向设置的第一环形管部和第二环形管部，所述第一进气口设置在所述第一环形管部的侧壁上；所述第一环形管部远离所述第二环形管部的一侧设有排气管；所述排气管与所述第二轮盘的上部之间形成所述第一排气口；
所述第二排气口设置在所述第二环形管部的侧壁上。
4.根据权利要求3所述的空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，所述第一进气口的口部设有第一进气管道；所述第二排气口的口部设有第一排气管道。
5.根据权利要求4所述的空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，所述蜗壳包括沿所述膨胀压缩叶轮的轴线并排设置的第一子蜗壳和第二子蜗壳；所述第一子蜗壳包括所述第一环形管部、所述排气管和所述第一进气管道，所述第二子蜗壳包括所述第二环形管部和所述第一排气管道；所述第一子蜗壳和所述第二子蜗壳相互扣合。
6.根据权利要求3所述的空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，所述蜗壳内还设有压盖，所述压盖的下端与所述第二环形管部的侧壁密封连接，所述压盖的上端与所述扩压器之间具有间隙，所述间隙连通所述第二进气口和所述压缩腔。
7.根据权利要求6所述的空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，所述压盖上设有凹槽，所述第一轮盘的下部位于所述凹槽内。
8.根据权利要求2所述的空气压缩和膨胀一体装置，其特征在于，所述扩压器靠近膨胀腔的端面上设有叶片喷嘴环，所述叶片喷嘴环远离扩压器的外边缘设置。
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