CN114542514A - 蜗壳组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蜗壳组件，所述蜗壳组件包括壳体和换热片，壳体包括腔室、第一流道和第二流道，第一流道与腔室连通并环绕在腔室的外周侧，第二流道与腔室连通并环绕在腔室的外周侧，第一流道适于通入气体并将气体增压为高压气体后排出，第二流道适于通入气体并将气体减压排入腔室内，换热片设在第二流道的内周面上，以便第一流道内的气体通过换热片与第二流道内的气体换热。本发明的蜗壳组件具有使用寿命长、结构简单、工作效率高等优点。

Description

蜗壳组件

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机技术领域，具体地，涉及一种蜗壳组件。

背景技术

空气压缩机是氢燃料电池的核心部件之一，源源不断地为燃料电池电堆提供高压空气。在燃料电池系统中，空压机耗功约占燃料电池输出功率的20％，降低空压机功耗对提高燃料电池系统的效率和输出功率具有重要意义。

相关技术中，空压机的能量损失大、使用寿命低。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

相关技术中，为提高燃料电池系统效率，人们对现有空压机进行不断优化改进。例如：CN202021771557.2中提供了一种新型压缩机方案用于降低空压机的耗功，但由于质子交换膜燃料电池电推的特性，电堆排出的废气温度较低，常在80℃左右。较低温的废气所具有的能量较低，使得涡轮能回收的能量较少，对整机性能的提升极为有限。此外，氢气和空气中氧气在燃料电池电堆中发生反应，在释放能量的同时将生成水，因此燃料电池电堆排出的废气湿度极高，甚至包含液体水。含有大量水分的废气进入涡轮将影响涡轮的做功能力。高速的液相流体对涡轮叶轮的冲击作用同样将严重影响涡轮的寿命和可靠性，对整机的可靠、高效运行带来极大的挑战。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种提高了涡轮回收功、使用寿命高的蜗壳组件。

本发明实施例的蜗壳组件包括：壳体，所述壳体包括腔室、第一流道和第二流道，所述第一流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第二流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第一流道适于通入气体并将所述气体增压为高压气体后排出，所述第二流道适于通入气体并将所述气体减压排入所述腔室内；换热片，所述换热片设在所述第二流道的内周面上，以便所述第一流道内的气体通过所述换热片与所述第二流道内的气体换热。

本发明实施例的蜗壳组件，设置换热片，从而在换热片的作用下，第一流道内的气体和第二流道内的气体换热，使得第一流道内的气体温度降低，第二流道内的温度升高，减小湿空气在第二流道内的膨胀过程中析出的水量，进而提高蜗壳组件的寿命和可靠性。

在一些实施例中，所述换热片设在所述第二流道邻近所述第一流道的侧面上。

在一些实施例中，所述第一流道包括彼此连通的第一子段和第二子段，所述第一子段环绕在所述腔室的外周侧，所述第一子段通过所述第二子段与所述腔室连通，所述换热片包括第一换热片和第二换热片，所述第一换热片和所述第二换热片均设在所述第二流道内，所述第一换热片设在所述第二流道邻近所述第一子段的一侧，所述第二换热片设在所述第二流道邻近所述第二子段的一侧。

在一些实施例中，所述换热片为多个，多个换热片设在所述第二流道的内周面上且沿所述第二流道的周向间隔设置，所述换热片的延伸方向与内外方向相交成夹角。

在一些实施例中，所述换热片的延伸方向与所述第二流道的内外方向之间的夹角为60°-80°。

在一些实施例中，所述蜗壳组件还包括：叶轮，所述叶轮可转动地设在所述腔室内，所述叶轮的一部分配合在所述第一流道的入口处，所述叶轮的一部分外周面与所述第一流道的内周面间隔布置；多个导流件，多个所述导流件设在所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧，所述导流件与所述叶轮的一部分沿所述叶轮的轴向间隔设置，多个所述导流件沿所述叶轮的周向间隔设置以形成气流通道，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向相交呈夹角。

在一些实施例中，相邻的两个所述导流件包括第一导流件和第二导流件，所述第一导流件的至少部分与所述第二导流件在内外方向间隔设置。

在一些实施例中，所述导流件的横截面积从内到外逐渐增大。

在一些实施例中，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向之间的夹角为70°-80°。

在一些实施例中，所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧设有安装槽，所述安装槽与所述第二腔连通，所述叶轮的一部分设在所述安装槽内且与所述安装槽的内周面沿内外方向间隔设置，所述导流件设在所述安装槽的邻近所述第二流道的一侧。

附图说明

图1是本发明实施例的蜗壳组件的结构示意图。

图2是本发明实施例的蜗壳组件的立体图。

图3是本发明实施例的蜗壳组件的导流件的安装示意图。

图4是本发明实施例的蜗壳组件的第一换热片的安装示意图

附图标记：

蜗壳组件100；

壳体1；腔室11；进口111；出口112；第一腔113；第二腔114；

第一流道12；第一进气口121；第一出气口122；第一部分123；第二部分124；安装槽125；第一子段126；第二子段127；

第二流道13；第二进气口131；第二出气口132；

叶轮2；第一叶轮部21；第二叶轮部22；

导流件3；第一导流件31；第二导流件32；

换热片4；第一换热片41；第二换热片42。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的蜗壳组件。

如图1-4所示，本发明实施例的蜗壳组件包括壳体1、换热片4。

壳体1包括腔室11、第一流道12和第二流道13，第一流道12与腔室11连通并环绕在腔室11的外周侧，第二流道13与腔室11连通并环绕在腔室11的外周侧，第一流道12适于通入气体并将气体增压为高压气体后排出，第二流道13适于通入气体并将气体减压排入腔室11内。

如图1-4所示，腔室11在左右方向上贯穿壳体1，在腔室11的外周侧环绕设置有第一流道12和第二流道13，腔室11沿左右方向具有与腔室11连通的进口111和出口112，第一流道12具有第一进气口121和第一出气口122，第二流道13具有第二进气口131和第二出气口132，第一进气口121与腔室11连通，第一出气口122可与外部设备(例如：中冷器、加湿器和燃料电池电堆)相连，第二进气口131与燃料电池电堆的废气的出口连通，第二出气口132与腔室11连通，第一流道12与外部压气机的叶轮2配合将气体增压形成高压气体，从而高压空气通过进口111进入腔室11、第一进气口121和第一出气口122流入外部设备并做功。燃料电池电堆的废气的出口排出的废气具有一定压力的气体通过第二进气口131流入第二流道13内，然后再进入腔室11内膨胀驱动叶轮2做功并从出口112排出，废气在第二流道13内膨胀且吸热，将第二流道13的壁面温度降低，同时带走相邻第一流道12内的部分热量，使第一流道12内的温度降低，提高了第一流道12内对气体加压的作业效率。

换热片4设在第二流道13的内周面上，以便第一流道12内的气体通过换热片4与第二流道13内的气体换热。由于，经压缩后经过第一流道12排出壳体1进入燃料电池电堆，经压缩后的气体在第一流道12中具有较高温度，且第一流道12和第二流道13为整体式结构，在换热片4的作用下，第一流道12中的热量向温度较低的第二流道13传导，第二流道13内的气体温度上升，第二流道13内的气体湿度降低。因此，通过第二流道13的内周面上的换热片4增大了第二流道13内的换热面积，加强第一流道12和第二流道13之间的流动换热，减小湿空气在第二流道13内的膨胀过程中析出的水量，进而提高蜗壳组件100的寿命和可靠性。

本发明实施例的蜗壳组件100，设置换热片4，使得第二流道13内的气体温度上升、能量增大，气体在蜗壳组件100内膨胀做功释放的能量增多，提高了涡轮组件的回收功，且降低了第二流道13内的含水量和湿度，提高涡轮组件的寿命。另外，相对于相关技术，蜗壳组件100的出口112与电堆入口之间需要中冷器对高压空气进行冷却，可有效降低中冷器的负荷，提高了换热效率。

由于，第一流道12和第二流道13为整体式结构，且第一流道12设在第二流道13的左侧，第一流道12内的气体的热量通过通过右侧面传递给第二流道13。因此，在一些实施例中，换热片4设在第二流道13邻近第一流道12的侧面上。具体地，如图1所示，换热片4为换热翅片且设在第二流道13的左侧面上，从而提高了换热片4的换热效率。

在一些实施例中，第一流道12包括彼此连通的第一子段126和第二子段127，第一子段126环绕在腔室11的外周侧，第一子段126通过第二子段127与腔室11连通，换热片4包括第一换热片41和第二换热片42，第一换热片41和第二换热片42均设在第二流道13内，第一换热片41设在第二流道13邻近第一子段126的一侧，第二换热片42设在第二流道13邻近第二子段127的一侧。具体地，如图1和4所示，第一子段126环绕在腔室11的左半部分，且第二子段127沿内外方向延伸，第二子段127分别连通腔室11和第一子段126，第一换热片41和第二换热片42均为多个，多个第一换热片41设在第二流道13的左侧面且沿腔室11的周向间隔设置，多个第二换热片42设在第二流道13左上侧面且沿腔室11的周向间隔设置，由此，通过第一换热片41和第二换热片42的设置位置，提高了换热片4的换热效率。

在一些实施例中，换热片4为多个，多个换热片4设在第二流道13的内周面上且沿第二流道13的周向间隔设置，换热片4的延伸方向与内外方向相交成夹角。由此，防止换热片4干扰第二流道13内的气流的流向，使得换热片4的设置更加合理。

在一些实施例中，换热片4的延伸方向与内外方向之间的夹角为60°-80°。具体地，换热片4的延伸方向与内外方向之间的夹角可以为60°、65°、70°、75°、80°等，从而使得换热片4的延伸方向与第二流道13内旋流方向大体一致，增强换热的同时避免换热片4对气流的扰动。

在一些实施例中，蜗壳组件100还包括叶轮2和多个导流件3。

叶轮2可转动地设在腔室11内，叶轮2的一部分配合在第一流道12的入口处，叶轮2的外周面与第一流道12的外周面间隔布置。

具体地，如图1所示，叶轮2包括第一叶轮部21和第二叶轮部22，第一叶轮部21设在第二叶轮部22的左侧，第一叶轮部21和第二叶轮部22可转动地设在腔室11内，第一叶轮部21和第一流道12配合，第一叶轮部21转动以使得气体加压后通过第一流道12流出，第二叶轮部22与第二流道13配合，从燃料电池电堆的废气出口112的气体通过第二流道13流入腔室11内，从而驱动第二叶轮部22转动，释放能量带动第二叶轮部22旋转做功，进而可带动第一叶轮部21旋转，实现从排气回收能量并用于压气机的目的，降低了电机的功耗，从而提高了燃料电池系统的输出功率。另外，叶轮2的一部分穿设在第一流道12的入口处且与第一流道12的出口112间隔设置，以便将第一流道12的入口分隔成第一部分123和第二部分124，第一部分123位于第二部分124的左侧，气流通过第一部分123流入第一流道12，第一部分123内的气体大部分通过第一出气口122流出，由于第一叶轮部21的出口112与第二叶轮部22的入口之间存在压差，将有部分压缩气体将从第一部分123经过第二部分124流入第二叶轮部22，即泄漏流。

多个导流件3设在第一流道12的入口邻近第二流道13的一侧，导流件3与叶轮2的一部分沿叶轮2的轴向间隔设置，多个导流件3沿叶轮2的周向间隔设置以形成气流通道，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向相交呈夹角。具体地，如图1和3所示，多个导流件3设在第二部分124的右侧面上，且多个导流件3沿叶轮2的周向间隔设置，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向相交呈夹角，使得相邻的两个叶轮2之间形成的气流通道与叶轮2的径向相交呈夹角，泄漏流以一定角度流入腔室11内以驱动第二叶轮部22转动，从而避免了由于方向不同导致的泄漏流与第二流道13流出的废气在第二流道13的第二出气口132剧烈掺混导致气流能量损失，进而避免了第二叶轮部22从泄漏流和电堆废气回收的能量损失，从而提升空压机的性能。当第一叶轮部21出口112与第二叶轮部22入口的差压增大(即空压机运行于低流量高压比工况时，即近喘振工况)，通过气流通道进入第二叶轮部22的泄漏流流量将增大。在燃料电池系统中运行时需维持进入燃料电池电堆的流量相同，此时由于泄漏流的存在使得压气机的进口111流量增大，进而提高压气机的气动稳定性，拓宽系统的稳定运行范围。由于通过气流通道进入第二叶轮部22的泄漏流增多，使第二叶轮部22回收的能量增多，改善空压机在低流量高压比工况的空压机性能。

在一些实施例中，导流件3的横截面积从内到外逐渐增大。具体地，如图3所示，导流件3的外周轮廓呈翼型以使气流通道从内到外逐渐减小，在压气机和叶轮2的压差作用下，气流在气流通道内加速，将气流的压力能转化为动能，气流经气流通道加速膨胀后能量较高，具有较高能量的气流从理想的方向进入第二叶轮部22，气流在叶轮2中进一步膨胀做功，进而使第二气流部回收的能量增多，降低压气机电机的耗功，提高空压机的效率。

在一些实施例中，相邻的两个导流件3包括第一导流件31和第二导流件32，第一导流件31的至少部分与第二导流件32在内外方向间隔设置。具体地，如图3所示，第一导流件31和第二导流件32在内外方向存在重叠区域，形成有效流通面积很小的气流通道，从而使得泄漏流通过加速通过气流通道的气流速度增大，压力能降低，气流以高速的状态沿半径方向进入第二叶轮部22，高速气流在涡轮内做功，该能量被涡轮回收，从而提升空压机的性能。

在一些实施例中，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向之间的夹角为70°-80°。具体地，导流件3的延伸方向与叶轮2的径向之间的夹角为70°、72°、74°、76°、78°和80°，从而使得导流件3的延伸方向与叶轮2的径向之间的夹角与泄漏流的流动方向接近，减小泄漏流的流动损失，同时具有引导泄漏流的作用，实现泄漏流进入第二叶轮部22的有效做功。

在一些实施例中，第一流道12的入口邻近第二流道13的一侧设有安装槽125，安装槽125与第二腔114连通，叶轮2的一部分设在安装槽125内且与安装槽125的内周面沿内外方向间隔设置，导流件3设在安装槽125的侧面上。具体地，如图1所示，第一流道12的入口处的右侧面设有安装槽125，叶轮2的一部分的外周侧与安装槽125的内周面间隔设置，叶轮2的一部分的外周面与安装槽125的内周面沿内外方向间隔设置以形成间隙，从而使得第一流道12内的气流通过间隙流入安装槽125内，导流件3设在安装槽125的右端面上，导流件3的左端面与叶轮2的一部分沿左右方向间隔设置，从而防止安装槽125和导流件3发生磨损。

在一些实施例中，腔室11包括连通的第一腔113和第二腔114，第一流道12与第一腔113连通且环绕在第一腔113的外周侧，第二流道13与第二腔114连通并环绕在第二腔114的外周侧，叶轮2的一部分可转动地设在第一腔113内，叶轮2的另一部分可转动地设在第二腔114内。具体地，如图1所示，腔室11的左部分为第一腔113，腔室11的右部分为第二腔114，第一腔113的横截面积小于第二腔114的横截面积，第一叶轮部21可转动地安装在第一腔113内，第一流道12环绕在第一腔113上且与第一腔113连通，从而使得第一叶轮部21转动产生的压缩气体通过第一流道12流出壳体1，第二叶轮部22可转动地安装在第二腔114内，第二流道13环绕在第二腔114上且与第二腔114连通，从而使得燃料电池电堆排出的废气通过第二流道13流入第二腔114内以驱动第二叶轮部22转动。

在一些实施例中，叶轮2包括第一叶轮部21和第二叶轮部22，第一叶轮部21可转动地设在第一腔113室11内，第二叶轮部22可转动地设在第二腔114室11内，第二叶轮部22的叶片的数量小于导流件3的数量。由此，增大导流件3的数量，减小气流通道的流通面积，提高气流的流速。

由于，叶轮2是在工作过程中是转动地，导流件3始终为静止状态，如果第二叶轮部22的叶片的数量和导流件3的数量相同或成倍数关系可能会有共振现象，导致第二叶轮部22的叶片发生断裂。因此，在一些实施例中，导流件3的数量与第二叶轮部22的叶片的数量为非整数。从而防止第二叶轮部22的叶片发生断裂，延长了第二叶轮部22的使用寿命。

在一些实施例中，第二叶轮部22叶轮2的尾缘与导流板沿内外方向相对设置，第二叶轮部22的叶轮2的前缘与第二流道13沿内外方向相对设置。由此，泄漏流以高速的状态沿半径方向从第二叶轮部22的根部位置进入第二叶轮部22，使得高速气流在第二叶轮部22内做功，该能量被第二叶轮部22回收，从而提升空压机的性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种蜗壳组件，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体包括腔室、第一流道和第二流道，所述第一流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第二流道与所述腔室连通并环绕在所述腔室的外周侧，所述第一流道适于通入气体并将所述气体增压为高压气体后排出，所述第二流道适于通入气体并将所述气体减压排入所述腔室内；

换热片，所述换热片设在所述第二流道的内周面上，以便所述第一流道内的气体通过所述换热片与所述第二流道内的气体换热。

2.根据权利要求1所述的蜗壳组件，其特征在于，所述换热片设在所述第二流道邻近所述第一流道的侧面上。

3.根据权利要求2所述的蜗壳组件，其特征在于，所述第一流道包括彼此连通的第一子段和第二子段，所述第一子段环绕在所述腔室的外周侧，所述第一子段通过所述第二子段与所述腔室连通，

所述换热片包括第一换热片和第二换热片，所述第一换热片和所述第二换热片均设在所述第二流道内，所述第一换热片设在所述第二流道邻近所述第一子段的一侧，所述第二换热片设在所述第二流道邻近所述第二子段的一侧。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的蜗壳组件，其特征在于，所述换热片为多个，多个换热片设在所述第二流道的内周面上且沿所述第二流道的周向间隔设置，所述换热片的延伸方向与内外方向相交成夹角。

5.根据权利要求4所述的蜗壳组件，其特征在于，所述换热片的延伸方向与所述第二流道的内外方向之间的夹角为60°-80°。

6.根据权利要求1所述的蜗壳组件，其特征在于，还包括：

叶轮，所述叶轮可转动地设在所述腔室内，所述叶轮的一部分配合在所述第一流道的入口处，所述叶轮的一部分外周面与所述第一流道的内周面间隔布置；

多个导流件，多个所述导流件设在所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧，所述导流件与所述叶轮的一部分沿所述叶轮的轴向间隔设置，多个所述导流件沿所述叶轮的周向间隔设置以形成气流通道，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向相交呈夹角。

7.根据权利要求6所述的蜗壳组件，其特征在于，相邻的两个所述导流件包括第一导流件和第二导流件，所述第一导流件的至少部分与所述第二导流件在内外方向间隔设置。

8.根据权利要求6所述的蜗壳组件，其特征在于，所述导流件的横截面积从内到外逐渐增大。

9.根据权利要求6所述的蜗壳组件，其特征在于，所述导流件的延伸方向与所述叶轮的径向之间的夹角为70°-80°。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的蜗壳组件，其特征在于，所述第一流道的入口邻近所述第二流道的一侧设有安装槽，所述安装槽与所述第二腔连通，所述叶轮的一部分设在所述安装槽内且与所述安装槽的内周面沿内外方向间隔设置，所述导流件设在所述安装槽的邻近所述第二流道的一侧。

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