CN114165463A - 一种离心式空压机和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心式空压机和燃料电池系统，包括：机体，包括机壳、电机定子、电机转子、转轴和径向轴承组件，所述电机定子固定安装于所述机壳内腔，所述电机转子与所述转轴连接，所述转轴通过所述径向轴承组件安装于所述机壳内孔；压缩组件，包括叶轮和蜗壳，所述叶轮与所述转轴连接；冷却空气流道，用于将所述压缩组件产生的部分压缩空气导入所述机体内部，以对所述机体内部进行冷却，所述冷却空气流道设有控制阀。其能够降低空压机内部的温度，提高空压机的寿命和稳定性，同时降低空压机在低速、低压区域工作时风冷的功耗，提高空压机在低速、低压区域工作时的效率。

Description

一种离心式空压机和燃料电池系统

技术领域

本发明用于燃料电池发动机领域，特别是涉及一种离心式空压机和燃料电池系统。

背景技术

氢燃料电池要想获得高的功率密度和性能，必须要在相对高的气体压力下工作，因此需要有高效率、高压比的空压机为燃料电池提供高压空气。燃料电池离心式空压机寄生功率大约占了系统的20％左右。

燃料电池离心式空压机转速高，最高约12万转，电机额定功率高，最高40kW左右，所以转子磁钢发热，轴芯的风摩损耗发热都比较严重，需要强制风冷，才能使电机内部温度不超过材料的使用极限，从而影响轴系的稳定性和使用寿命。但是，空压机在低速、低功率、小流量、低压比区域运行时磁钢发热和轴芯风摩损耗都比较小，进行强制风冷的必要性大大降低，而现有技术中对于空压机的冷却方案均无法避免空压机低速、低功率、小流量、低压比区域运行时，因为冷却而消耗的功耗。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种离心式空压机和燃料电池系统，其能够降低空压机内部的温度，提高空压机的寿命和稳定性，同时降低空压机在低速、低压区域工作时风冷的功耗，提高空压机在低速、低压区域工作时的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一方面，一种离心式空压机，包括：

机体，包括机壳、电机定子、电机转子、转轴和径向轴承组件，所述电机定子固定安装于所述机壳内腔，所述电机转子与所述转轴连接，所述转轴通过所述径向轴承组件安装于所述机壳内孔；

压缩组件，包括叶轮和蜗壳，所述叶轮与所述转轴连接；

冷却空气流道，用于将所述压缩组件产生的部分压缩空气导入所述机体内部，以对所述机体内部进行冷却，所述冷却空气流道设有控制阀。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述控制阀包括机械压力阀，所述机械压力阀包括阀座、阀芯和弹性复位部件，所述阀座设有浮动导槽，所述阀芯设置于所述浮动导槽中，所述弹性复位部件与所述阀芯连接，所述阀芯能够在所述压缩空气的作用下克服所述弹性复位部件的弹力沿所述浮动导槽运动，以导通所述冷却空气流道。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述阀座装配在所述冷却空气流道内部，所述阀座的外周面设有若干轴向槽，所述浮动导槽为开设在所述阀座端部的盲孔，所述盲孔的前端孔壁设有若干与所述轴向槽连接的径向孔，所述弹性复位部件设置在所述盲孔内部，并支撑于与所述阀芯和所述阀座之间，所述阀芯的外周面与所述盲孔的孔壁匹配贴合。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述机体还包括止推轴承组件，所述止推轴承组件安装于所述机壳，所述转轴设有与所述止推轴承组件配合的飞盘，所述冷却空气流道先将冷却空气导入所述所述止推轴承组件，然后进入到所述电机定子和电机转子之间的气隙。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述止推轴承组件包括前止推轴承、间隙隔离板和后止推轴承，所述飞盘安装限制在所述前止推轴承和后止推轴承形成的环形气腔内，所述前止推轴承设有第一环气槽和多个外端与所述第一环气槽连接的第一径向引气孔，所述后止推轴承设有第二环气槽和多个与所述第二环气槽连接的第二径向引气孔，所述第一环气槽和所述第二环气槽通过穿过所述间隙隔离板的过孔相连接，所述第一径向引气孔的内端设有与所述环形气腔连通的第一轴向引气孔，所述第二径向引气孔的内端设有与所述环形气腔连通的第二轴向引气孔，所述后止推轴承设有将冷却空气由环形气腔导入所述电机定子和电机转子之间气隙的第三轴向引气孔。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述机壳设有冷却液循环通道，所述冷却空气流道沿所述机壳延伸，与所述冷却液循环通道换热后导入所述所述止推轴承组件。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述机壳内孔设有螺旋环槽，所述螺旋环槽的一端安装冷却液进口接头，所述螺旋环槽的另一端安装冷却液出口接头，所述机体还包括水套，所述水套过盈装配在所述机壳内孔，所述水套外表面与所述机壳的螺旋环槽限定出所述冷却液循环通道。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述压缩组件包括一级压缩组件和二级压缩组件，所述一级压缩组件设置于所述机体前端，所述一级压缩组件包括一级叶轮和一级蜗壳；所述二级压缩组件设置于所述机体后端，所述二级压缩组件包括二级叶轮和二级蜗壳，所述二级蜗壳的进口与所述一级蜗壳的出口通过弯管连接。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述一级蜗壳与所述机壳的前端连接，所述一级蜗壳开设旁通孔，并通过所述旁通孔将部分压缩空气直接导入机壳内部的冷却空气流道。

第二方面，一种燃料电池系统，包括第一方面中任一实现方式所述的空压机。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：设置用于将压缩组件产生的部分压缩空气导入机体内部的冷却空气流道，同时，在冷却空气流道增加一个控制阀，该控制阀可根据压缩组件的排气压力和/或转轴的转速信息控制冷却空气流道的通断，例如在低压时关闭，防止气体泄露，高压时自动开启，部分高压气体进入到空压机内部，在实现对空压机电机等结构进行冷却，降低空压机内部的温度，在提高空压机的寿命和稳定性效果的同时降低空压机在低速、低压区域工作时风冷的功耗，提高空压机在低速、低压区域工作时的效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明离心式空压机的一个实施例结构示意图；

图2是图1中A处局部放大图；

图3是图1所示的一个实施例阀座结构示意图；

图4是图1所示的一个实施例阀座结构剖视图；

图5是图1所示的一个实施例前止推轴承侧视图；

图6是图5所示的前止推轴承剖视图；

图7是图1所示的一个实施例后止推轴承侧视图；

图8是图7所示的后止推轴承剖视图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

其中，图1给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1所示的方向，对本发明的实施例进行说明。

参见图1，本发明的实施例提供了一种离心式空压机，包括机体、压缩组件和冷却空气流道21。

具体的，机体包括机壳6、电机定子7、电机转子、转轴8和径向轴承组件，电机定子7固定安装于机壳6内腔，电机转子与转轴8连接，转轴8通过径向轴承组件安装于机壳6内孔，电机定子7和电机转子相互配合，用于提供驱动转轴8转动的扭矩。

在一些实施例中，为了保证转轴8转动的稳定性，参见图1，径向轴承组件包括前径向轴承10和后径向轴承5，前径向轴承10安装于机壳6前端，后径向轴承5安装于机壳6后端。转轴8从前径向轴承10和后径向轴承5和电机定子7中间穿过，其中，前径向轴承10和后径向轴承5采用空气动压轴承，在高速旋转式，会产生带有一定承载力的气膜支撑转轴8旋转。

可以理解的是，径向轴承组件还可以采用滚动轴承等其他类型的轴承组件。

压缩组件采用离心式压缩方式，参见图1，压缩组件包括叶轮和蜗壳，叶轮与转轴8连接，叶轮跟随转轴8一起运转，不断将空气由蜗壳的进气口吸入，压缩后经蜗壳的排气口排出，实现空气压缩。

参加图1、图2，冷却空气流道21用于将压缩组件产生的部分压缩空气导入机体内部，以对机体内部进行冷却，冷却空气流道21设有控制阀，控制阀可根据压缩组件的排气压力和/或转轴8的转速信息自动或手动控制冷却空气流道21的通断。

本发明的实施例中，设置用于将压缩组件产生的部分压缩空气导入机体内部的冷却空气流道21，同时，在冷却空气流道21增加一个控制阀，该控制阀可根据压缩组件的排气压力和/或转轴8的转速信息控制冷却空气流道21的通断，例如在低压时关闭，防止气体泄露，高压时自动开启，部分高压气体进入到空压机内部，对电机进行冷却，最后排出机体外部。在实现对空压机电机等结构进行冷却，降低空压机内部的温度，提高空压机的寿命和稳定性效果的同时降低空压机在低速、低压区域工作时风冷的功耗，提高空压机在低速、低压区域工作时的效率。

控制阀可采用电控阀，电控阀通过控制单元根据压缩组件的排气压力和/或转轴8的转速信息控制，最终实现冷却空气流道21的通断。

控制阀也可以采用机械阀，例如在图1所示的实施例中，控制阀包括机械压力阀，具体的，参见图2～图4，机械压力阀包括阀座22、阀芯23和弹性复位部件24，阀座22设有浮动导槽25，阀芯23设置于浮动导槽25中，弹性复位部件24与阀芯23连接，阀芯23能够在压缩空气的作用下克服弹性复位部件24的弹力沿浮动导槽25运动，以导通冷却空气流道21。机械压力阀在常压时在弹性复位部件24的作用下处于关闭状态，当空压机开始工作时，阀芯23一端的空气压力达到一定值时(例如180～200kPa)，阀芯23由于两端压差产生的压力使弹性复位部件24变形，然后机械压力阀打开，实现连通。本实施例采用机械压力阀，机械压力阀以压缩空气的气压作为冷却空气流道21的通断信号，能够准确的反应空压机的运行状态，而且，机械压力阀无需借助传感器、控制器等其他配件，直接装配在冷却空气流道21中即可，结构更加简单，而且性能更加稳定。

进一步的，参见图2～图4，阀座22采用过盈配合或螺纹连接等方式装配在冷却空气流道21的入口处，阀座22的外周面设有若干轴向槽26，轴向槽26在延伸至阀座22前端面前形成止点，冷却空气流道21在与阀座22对接的位置形成台阶面，阀座22的前端与台阶面密封连接。浮动导槽25为开设在阀座22端部的盲孔，盲孔的前端与台阶面的冷却空气流道21对接。盲孔的前端孔壁设有若干与轴向槽26连接的径向孔27，盲孔、径向孔27和轴向槽26形成供冷却空气流过阀座22的通道，当阀芯23部分或全部错开径向孔27时，若干通道能够导通，以供冷却空气进入机体内部。弹性复位部件24采用设置在盲孔内部的压缩弹簧，并支撑于与阀芯23和阀座22之间，阀芯23的外周面与盲孔的孔壁匹配贴合，阀芯23在盲孔中浮动时，与错开或掩合径向孔27，实现通断控制功能。采用本实施例的机械压力阀，能够使得机械压力阀能够在蜗壳和机壳6连接的位置进行整体拆装，降低降配难度。

参见图1，机体还包括止推轴承组件，止推轴承组件安装于机壳6，转轴8设有与止推轴承组件配合的飞盘18，飞盘18与止推轴承组件配合来限制转轴8的轴向位移。

在一些实施例中，结合图1，冷却空气流道21先将冷却空气导入止推轴承组件，然后进入到电机定子7和电机转子之间的气隙。换言之，冷却气体首先通过止推轴承组件对轴承底板进行冷却，然后再进入到电机定转子气隙对电机进行冷却，最后排出电机外部。该实施例可以对止推轴承组件进行冷却，同时冷却空气可以带走止推轴承组件和飞盘18之间的热空气，使飞盘18和止推轴承组件的冷却效果更好。

具体的，参加图1、图5～图8，止推轴承组件包括前止推轴承13、间隙隔离板12和后止推轴承11，飞盘18安装限制在前止推轴承13和后止推轴承11形成的环形气腔内。为了引导冷却空气对止推轴承组件进行充分冷却，前止推轴承13设有第一环气槽28和多个外端与第一环气槽28连接的第一径向引气孔29，第一环气槽28和第一径向引气孔29形成前止推轴承13的冷却通道。后止推轴承11设有第二环气槽30和多个与第二环气槽30连接的第二径向引气孔31，第二环气槽30和第二径向引气孔31形成后止推轴承11的冷却通道。第一环气槽28和第二环气槽30通过穿过间隙隔离板12的过孔相连接，第一径向引气孔29的内端设有与环形气腔连通的第一轴向引气孔32，第二径向引气孔31的内端设有与环形气腔连通的第二轴向引气孔33，后止推轴承11设有将冷却空气由环形气腔导入电机定子7和电机转子之间气隙的第三轴向引气孔34。气体首先通过前止推轴承13和后止推轴承11设置的冷却通道对轴承底板进行冷却，然后再通过第一轴向引气孔32、第二轴向引气孔33进入到止推轴承和飞盘18间带走热空气，然后再通过第三轴向引气孔34进入到电机定转子气隙对电机进行冷却，最后排出集体外部。

在一些实施例中，参见图1，机壳6设有冷却液循环通道，冷却空气流道21沿机壳6延伸，与冷却液循环通道换热后导入止推轴承组件。该实施例中，通过将冷却空气流道21设置于冷却液循环通道外部的机壳6中，可以使高温、高压空气在进入集体内部之前先进行冷却，更有助于提高风冷的效果，降低空压机内部的温度。

冷却液循环通道可采用在机壳6内部设置迂回盘绕的孔道，也可以采用如图1所示的结构形式，即，机壳6内孔设有螺旋环槽，螺旋环槽的一端安装冷却液进口接头，螺旋环槽的另一端安装冷却液出口接头，机体还包括水套9，水套9过盈装配在机壳6内孔，并在前、后两端安装O形圈，水套9外表面与机壳6的螺旋环槽限定出冷却液循环通道。

本发明的空压机可以采用单级压缩或多级压缩结构，例如在一些实施例中，压缩组件包括一级压缩组件和二级压缩组件，一级压缩组件设置于机体前端，一级压缩组件包括一级叶轮15、一级蜗壳16和一级扩压器14，一级叶轮15安装在转轴8的一端，通过锁紧螺母一17锁紧，一级扩压器14安装在一级蜗壳16和机壳6之间。二级压缩组件设置于机体后端，二级压缩组件包括二级叶轮2、二级蜗壳3和二级扩压器4，二级叶轮2安装在转轴8另外一端，通过锁紧螺母二1锁紧，二级扩压器4安装在二级蜗壳3和机壳6之间，二级蜗壳3的进口与一级蜗壳16的出口通过弯管19连接，通过V型卡箍20固定。一级叶轮15跟随转轴8一起运转，实现一级压缩，二级叶轮2跟随转轴8一起运转，将一级压缩组件压缩后的空气进行二级压缩，以获得更高的压比。

参见图1，在一些实施例中，一级蜗壳16与机壳6的前端连接，一级蜗壳16开设旁通孔35，并通过旁通孔35将部分压缩空气直接导入机壳6内部的冷却空气流道21。在一级蜗壳16开一个旁通孔35来旁通部分高压空气进入到冷却空气流道21，减少外部通过管接头、管路结构，空压机结构更加紧凑。

第二方面，一种燃料电池系统，包括第一方面中任一实现方式的空压机。经过离心空压机压缩后的空气通过外部管路进入到电堆里，电堆发生化学反应后，把剩余的高温、高压气体排到空气中。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种离心式空压机，其特征在于，包括：

机体，包括机壳、电机定子、电机转子、转轴和径向轴承组件，所述电机定子固定安装于所述机壳内腔，所述电机转子与所述转轴连接，所述转轴通过所述径向轴承组件安装于所述机壳内孔；

压缩组件，包括叶轮和蜗壳，所述叶轮与所述转轴连接；

冷却空气流道，用于将所述压缩组件产生的部分压缩空气导入所述机体内部，以对所述机体内部进行冷却，所述冷却空气流道设有控制阀。

2.根据权利要求1所述的离心式空压机，其特征在于，所述控制阀包括机械压力阀，所述机械压力阀包括阀座、阀芯和弹性复位部件，所述阀座设有浮动导槽，所述阀芯设置于所述浮动导槽中，所述弹性复位部件与所述阀芯连接，所述阀芯能够在所述压缩空气的作用下克服所述弹性复位部件的弹力沿所述浮动导槽运动，以导通所述冷却空气流道。

3.根据权利要求2所述的离心式空压机，其特征在于，所述阀座装配在所述冷却空气流道内部，所述阀座的外周面设有若干轴向槽，所述浮动导槽为开设在所述阀座端部的盲孔，所述盲孔的前端孔壁设有若干与所述轴向槽连接的径向孔，所述弹性复位部件设置在所述盲孔内部，并支撑于与所述阀芯和所述阀座之间，所述阀芯的外周面与所述盲孔的孔壁匹配贴合。

4.根据权利要求1所述的离心式空压机，其特征在于，所述机体还包括止推轴承组件，所述止推轴承组件安装于所述机壳，所述转轴设有与所述止推轴承组件配合的飞盘，所述冷却空气流道先将冷却空气导入所述所述止推轴承组件，然后进入到所述电机定子和电机转子之间的气隙。

5.根据权利要求4所述的离心式空压机，其特征在于，所述止推轴承组件包括前止推轴承、间隙隔离板和后止推轴承，所述飞盘安装限制在所述前止推轴承和后止推轴承形成的环形气腔内，所述前止推轴承设有第一环气槽和多个外端与所述第一环气槽连接的第一径向引气孔，所述后止推轴承设有第二环气槽和多个与所述第二环气槽连接的第二径向引气孔，所述第一环气槽和所述第二环气槽通过穿过所述间隙隔离板的过孔相连接，所述第一径向引气孔的内端设有与所述环形气腔连通的第一轴向引气孔，所述第二径向引气孔的内端设有与所述环形气腔连通的第二轴向引气孔，所述后止推轴承设有将冷却空气由环形气腔导入所述电机定子和电机转子之间气隙的第三轴向引气孔。

6.根据权利要求4所述的离心式空压机，其特征在于，所述机壳设有冷却液循环通道，所述冷却空气流道沿所述机壳延伸，与所述冷却液循环通道换热后导入所述所述止推轴承组件。

7.根据权利要求6所述的离心式空压机，其特征在于，所述机壳内孔设有螺旋环槽，所述螺旋环槽的一端安装冷却液进口接头，所述螺旋环槽的另一端安装冷却液出口接头，所述机体还包括水套，所述水套过盈装配在所述机壳内孔，所述水套外表面与所述机壳的螺旋环槽限定出所述冷却液循环通道。

8.根据权利要求1所述的离心式空压机，其特征在于，所述压缩组件包括一级压缩组件和二级压缩组件，所述一级压缩组件设置于所述机体前端，所述一级压缩组件包括一级叶轮和一级蜗壳；所述二级压缩组件设置于所述机体后端，所述二级压缩组件包括二级叶轮和二级蜗壳，所述二级蜗壳的进口与所述一级蜗壳的出口通过弯管连接。

9.根据权利要求8所述的离心式空压机，其特征在于，所述一级蜗壳与所述机壳的前端连接，所述一级蜗壳开设旁通孔，并通过所述旁通孔将部分压缩空气直接导入机壳内部的冷却空气流道。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的空压机。

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