CN113606162A - 节能型氢气循环泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢燃料反应系统，具体涉及一种节能型氢气循环泵。一种节能型氢气循环泵，包括泵壳、转子组件及将转子组件悬浮支撑在泵壳内的磁悬浮支撑系统；所述泵壳包括冷却机壳及分设在冷却机壳两端的前蜗壳和后蜗壳；所述前蜗壳内设有膨胀叶轮，所述膨胀叶轮位于转子组件的一端；所述后蜗壳内设有压缩叶轮，所述压缩叶轮位于转子组件的另一端，所述膨胀叶轮与压缩叶轮同步转动；所述膨胀叶轮接收高压工质的动以驱动转子组件转动，从而驱动压缩叶轮旋转并对低压工质进行压缩处理。本发明具有能节省能源损耗，且节能效果较好的优点。同时，本发明还具有膨胀压缩一体化，即能实现对高压工质的膨胀减压又能实现对低压工质的压缩加压的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢燃料反应系统，具体涉及一种节能型氢气循环泵。
背景技术
氢燃料电池的工作原理是：将氢气送到电堆的阳极板(负极)，经过催化剂的作用，氢原子中的电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达电堆的阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，电子经外部电路到达燃料电池阴极板并在外电路中产生电流，以得到电能。质子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水蒸气带走，就可以不断地提供电能。
其中，氢气对电堆的供给流量大于电堆所消耗的流量，为避免氢气的浪费，会通过氢气循环泵将从电堆排出的氢气再次加压循环至电堆的氢气入口，实现氢气的循环再利用。
为保证对电堆的长时间供氢，氢气是呈高压状态储存在气源内的。为保证氢气平稳地进入电堆的，需要采用降压阀将高压氢气膨胀减压，再将减压后的氢气引入电堆。
发明内容
本发明的目的是提供一种即能实现膨胀减压又能实现压缩加压，能实现膨胀和压缩一体，且更为节能的节能型氢气循环泵。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种节能型氢气循环泵，包括泵壳、转子组件及将转子组件悬浮支撑在泵壳内的磁悬浮支撑系统；所述泵壳包括冷却机壳及分设在冷却机壳两端的前蜗壳和后蜗壳；所述前蜗壳内设有膨胀叶轮，所述膨胀叶轮位于转子组件的一端；所述后蜗壳内设有压缩叶轮，所述压缩叶轮位于转子组件的另一端，所述膨胀叶轮与压缩叶轮同步转动；所述膨胀叶轮接收高压工质的动能以驱动转子组件转动，从而驱动压缩叶轮旋转并对低压工质进行压缩处理。
本发明通过在转子组件两端分别设置膨胀叶轮与压缩叶轮，当高压工质进入泵壳内时，高压工质会动膨胀叶轮做功转动，高压工质受膨胀叶轮及转子组件的阻力以实现降压，同时由于膨胀叶轮与压缩叶轮与转子组件固定和联动，压缩叶轮会同步转动并对从低压工质进行压缩加压，本发明既能实现对高压工质进行膨胀减压，又能对低压工质进行压缩加压，实现了膨胀功能和压缩功能的一体化，可以减少对本发明的电能供给，甚至可以不需要为实现压缩加压的功能而对本发明进行电能的供给，具有节能的优点。其中，本发明可以对高压工质自身的能量进行利用，以带动转子组件另一端的压缩叶轮旋转，可以不在泵壳内设置常规电机带动转子轴转动所需要的电子定子机构。
作为优选，所述冷却机壳内设有用于调节转子组件转速的电机定子机构，所述转子组件上设有与电机定子机构配合的电机转子机构。通过设置电机定子机构，以辅助带动转子组件转动，或实现转子组件转速的调节。
作为优选，当所述膨胀叶轮转速超过所述压缩叶轮所需要的转速时，所述电机定子机构工作于发电机模式，将膨胀叶轮多余的动能转换为电能；当膨胀叶轮转速低于所述压缩叶轮所需要的转速时，所述电机定子机构工作于电动机模式，提高转子组件的转速以匹配所述压缩叶轮所需要的转速。其中，根据实际需要选择现有电机结构进行相应电机定子机构和电机转子机构的设置。
作为优选，所述前蜗壳的进气端位于转子组件径向侧用于接收高压工质，所述前蜗壳的出气端位于转子组件轴向侧，所述后蜗壳的进气端位于转子组件的另一轴向侧用于接收低压工质，所述后蜗壳的出气端位于转子组件的径向侧。上述设置以保证高压工质对膨胀叶轮做功时，压缩叶轮能对低压工质进行压缩加压。其中，前蜗壳的出气端和后蜗壳的出气端均用于与氢燃料电池电堆的氢气入口连通，前蜗壳的进气端用于连接装有高压工质的高压氢气源，后蜗壳的进气端与氢燃料电池电堆的氢气出口连通。
作为优选，所述磁悬浮支撑系统包括一组轴向磁悬浮轴承和两组径向磁悬浮轴承；所述转子组件、膨胀叶轮和压缩叶轮通过所述一组轴向磁悬浮轴承和两组径向磁悬浮轴承与冷却机壳间形成悬浮支撑。轴向磁悬浮轴承和径向磁悬浮轴承没有机械轴承的转速限制，不再需要机械轴承对转子组件进行支撑，不需要考虑机械轴承的润滑、密封问题，氢气不会受润滑油污染，还能保证转子组件的高速转动，能保证膨胀减压和压缩加压的功能。其中，磁悬浮轴承能很大程度上隔绝电机定子机构和电机转子机构的振动传递，噪声小、可靠性高、寿命更长；同时带有主动控制的磁悬浮轴承相比于其他气动轴承这种被动的非接触轴承还可以实现更多的电机主动控制和转轴状态反馈。
作为优选，所述冷却机壳两端至少有一端设有用于实现与膨胀叶轮或压缩叶轮之间动密封的篦齿结构。通过设置动密封以避免高压工质与低压工质间的相互影响，其中，动密封结构无法完全实现密封，但是少量的高压工质进入冷却机壳内，还能对转子组件进行冷却。
作为优选，所述冷却机壳由机壳本体和连接段构成，所述机壳本体的内径由一端至另一端逐渐缩小，所述连接段位于机壳本体内径较小的一端，所述连接段具有向周向内侧延伸的延伸部，所述机壳本体远离连接段的端面或所述延伸部具有所述篦齿结构。其中，机壳本体的内径由一端至另一端逐渐缩小，便于冷却壳体内零部件装配和定位。其中，连接段的延伸部的设置，机壳本体的台阶结构的设置，既便于篦齿结构的设置，也便于本发明冷却壳体内零部件的装配。
作为优选，所述冷却机壳偏离端部处设有向周向外侧延伸的外限位凸起，前蜗壳或后蜗壳套设在冷却机壳端部并临近所述外限位凸起；所述冷却机壳设有两限位凸起，两限位凸起分别用于前蜗壳和后蜗壳的定位固定。其中，前蜗壳和后蜗壳直接与冷却机构连接，充当冷却机壳的前后端盖部分，能使冷却机壳更为简单。其中，前后蜗壳与机壳间可采用各种各样的密封方式，比如胶水密封、密封圈密封等。其中，由于前后蜗壳端部套设在冷却机壳端部外并固定，前后蜗壳不会相对冷却机壳做径向移动，能保证叶轮与蜗壳内壁间的有效避让空间，避免叶轮与蜗壳接触碰撞。其中，外限位部还用于对前后蜗壳的轴向位置进行限位，从而保证本发明装配好后，蜗壳的进出气端与叶轮间处于设定位置。
作为优选，所述一组轴向磁悬浮轴承和一组径向磁悬浮轴承固定于横截面呈环形的固定件内，所述固定件与冷却机壳内壁固定。两组磁悬浮轴承通过固定件实现一体化，构成了一个单独的零部件，便于本发明的装配和储放。
作为优选，所述电机定子机构和电机转子机构表面均设有防护层。其中，可以在电机转子机构表面涂上防腐蚀的保护层。其中，可以对电机定子机构进行灌封处理，以使电机定子机构表面构成有保护层。
本发明通过对高压工质自身的能量进行利用，以带动转子组件另一端的压缩叶轮旋转，可以减少对本发明的电能供给，甚至可以取消本发明泵壳内的电机定子机构的设置，具有能节省能源损耗，且节能效果较好的优点。同时，本发明还具有膨胀压缩一体化，即能实现对高压工质的膨胀减压又能实现对低压工质的压缩加压的优点。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明使用时的一种原理图。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
由图1和图2所示，本发明的一种节能型氢气循环泵，包括泵壳、转子组件100及将转子组件100悬浮支撑在泵壳内的磁悬浮支撑系统；泵壳包括冷却机壳1及分设在冷却机壳1两端的前蜗壳2和后蜗壳3；前蜗壳2内设有膨胀叶轮21，膨胀叶轮21位于转子组件100的一端；后蜗壳3内设有压缩叶轮31，压缩叶轮31位于转子组件100的另一端，膨胀叶轮21与压缩叶轮31同步转动；膨胀叶轮21接收高压工质的动能以驱动转子组件100转动，从而驱动压缩叶轮31旋转并对低压工质进行压缩处理。
前蜗壳2的进气端201位于转子组件100径向侧用于接收高压工质，前蜗壳2的出气端202位于转子组件100轴向侧，后蜗壳3的进气端301位于转子组件100的另一轴向侧用于接收低压工质，后蜗壳3的出气端302位于转子组件1的径向侧。其中，前蜗壳2的出气端202和后蜗壳3的出气端302均用于与氢燃料电池电堆的氢气入口连通，前蜗壳2的进气端201用于连接装有高压氢气的高压氢气源，后蜗壳3的进气端301与氢燃料电池电堆的氢气出口连通。
冷却机壳1内还设有用于调节转子组件100转速的电机定子机构200，转子组件100上设有与电机定子机构200配合的电机转子机构。本实施例的电机定子机构200和电机转子机构均为现有电机的用于实现电机转子轴转动的结构。其中，电机定子机构200和电机转子机构表面均设有防护层。
本实施例的控制方法包括：当膨胀叶轮转速超过压缩叶轮所需要的转速时，电机定子机构工作于发电机模式，将膨胀叶轮多余的动能转换为电能；当膨胀叶轮转速低于压缩叶轮所需要的转速时，电机定子机构工作于电动机模式，提高转子组件的转速以匹配所述压缩叶轮所需要的转速。
本实施例的磁悬浮支撑系统包括一组轴向磁悬浮轴承300和两组径向磁悬浮轴承400，转子组件100、膨胀叶轮21和压缩叶轮31通过所述一组轴向磁悬浮轴承300和两组径向磁悬浮轴承400与冷却机壳1间形成悬浮支撑。其中，本实施例的一组轴向磁悬浮轴承300和一组径向磁悬浮轴承400固定于横截面呈环形的固定件14内，固定件14与冷却机壳1内壁固定。
冷却机壳1由机壳本体11和连接段12构成，机壳本体1的内径由一端至另一端逐渐缩小，连接段12位于机壳本体1内径较小的一端，连接段12具有向周向内侧延伸的延伸部121，延伸部121端面具有用于实现与膨胀叶轮21间动密封的篦齿结构13。其中，本实施例的一径向磁悬浮轴承固定于机壳本体1的第一个台阶结构处，电机定子机构的定子铁芯部分固定于机壳本体1的第二个台阶结构处，固定件14固定于机壳本体1的第三个台阶结构处。
冷却机壳1偏离两端部处均设有向周向外侧延伸的外限位凸起10，两限位凸起10分别用于前蜗壳2和后蜗壳3的定位固定，一限位凸起10设置于连接段12上，另一个限位凸起10设置于机壳本体11上。
本发明通过对高压工质自身的能量进行利用，以带动转子组件另一端的压缩叶轮旋转，可以减少对本发明的电能供给，甚至可以取消本发明泵壳内的电机定子机构的设置，具有能节省能源损耗，且节能效果较好的优点。同时，本发明还具有膨胀压缩一体化，即能实现对高压工质的膨胀减压又能实现对低压工质的压缩加压的优点。
Claims (10)
1.一种节能型氢气循环泵，其特征在于包括泵壳、转子组件及将转子组件悬浮支撑在泵壳内的磁悬浮支撑系统；所述泵壳包括冷却机壳及分设在冷却机壳两端的前蜗壳和后蜗壳；所述前蜗壳内设有膨胀叶轮，所述膨胀叶轮位于转子组件的一端；所述后蜗壳内设有压缩叶轮，所述压缩叶轮位于转子组件的另一端，所述膨胀叶轮与压缩叶轮同步转动；所述膨胀叶轮接收高压工质的动能以驱动转子组件转动，从而驱动压缩叶轮旋转并对低压工质进行压缩处理。
2.根据权利要求1所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述冷却机壳内设有用于调节转子组件转速的电机定子机构，所述转子组件上设有与电机定子机构配合的电机转子机构。
3.根据权利要求2所述的节能型氢气循环泵，其特征在于当所述膨胀叶轮转速超过所述压缩叶轮所需要的转速时，所述电机定子机构工作于发电机模式，将膨胀叶轮多余的动能转换为电能；
当膨胀叶轮转速低于所述压缩叶轮所需要的转速时，所述电机定子机构工作于电动机模式，提高转子组件的转速以匹配所述压缩叶轮所需要的转速。
4.根据权利要求1所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述前蜗壳的进气端位于转子组件径向侧用于接收高压工质，所述前蜗壳的出气端位于转子组件轴向侧，所述后蜗壳的进气端位于转子组件的另一轴向侧用于接收低压工质，所述后蜗壳的出气端位于转子组件的径向侧。
5.根据权利要求1所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述磁悬浮支撑系统包括一组轴向磁悬浮轴承和两组径向磁悬浮轴承；所述转子组件、膨胀叶轮和压缩叶轮通过所述一组轴向磁悬浮轴承和两组径向磁悬浮轴承与冷却机壳间形成悬浮支撑。
6.根据权利要求1所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述冷却机壳两端至少有一端设有用于实现与膨胀叶轮或压缩叶轮之间动密封的篦齿结构。
7.根据权利要求6所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述冷却机壳由机壳本体和连接段构成，所述机壳本体的内径由一端至另一端逐渐缩小，所述连接段位于机壳本体内径较小的一端，所述连接段具有向周向内侧延伸的延伸部，所述机壳本体远离连接段的端面或所述延伸部具有所述篦齿结构。
8.根据权利要求1所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述冷却机壳偏离端部处设有向周向外侧延伸的外限位凸起，前蜗壳或后蜗壳套设在冷却机壳端部并临近所述外限位凸起；所述冷却机壳设有两限位凸起，两限位凸起分别用于前蜗壳和后蜗壳的定位固定。
9.根据权利要求5所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述一组轴向磁悬浮轴承和一组径向磁悬浮轴承固定于横截面呈环形的固定件内，所述固定件与冷却机壳内壁固定。
10.根据权利要求2所述的节能型氢气循环泵，其特征在于所述电机定子机构和电机转子机构表面均设有防护层。
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