CN114857043A - 空压机、燃料电池、新能源车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空压机、燃料电池、新能源车，其中的空压机，包括：一级压缩部与二级压缩部，一级压缩部具有第一级蜗壳，二级压缩部具有第二级蜗壳，第一级蜗壳的出气口与第二级蜗壳的进气口之间连接有连接管，连接管内具有导流结构，气流依次通过第一级蜗壳、连接管和第二级蜗壳。根据本发明，通过在连接管内设置导流结构，当气流自第一级蜗壳进入连接管内并经导流结构导流之后，气流漩涡能够被有效地消除掉，从而解决了气流在进入第二级蜗壳时，容易产生进气畸变的问题，使得空压机的气动效率明显得到提升，气流噪音明显减弱。

Description

空压机、燃料电池、新能源车

技术领域

本发明属于新能源车技术领域，具体涉及一种空压机、燃料电池、新能源车。

背景技术

随着国家对节能环保越来越重视，在国家政策的支持下，氢燃料电池技术正在蓬勃发展，并且车用氢燃料电池系统的开发研究工作已经有了巨大进步。空压机作为车用氢燃料电池系统里面的“心脏”，自然也是当前研究的热点，空压机的气动性能好坏以及气动噪音问题直接决定了发电效率与需求者的选择，目前，氢燃料电池发动机用超高速无油双级空气压缩机的第一级蜗壳与第二级蜗壳一般采用两级串联水平对置分布，第一级蜗壳与第二级蜗壳之间通过连接管连接，气流自第一级蜗壳进入连接管，然后再从连接管进入第二级蜗壳内，由于从第一级蜗壳出来的气流带有漩涡，如果连接管设计不当，将会造成气流在进入第二级蜗壳内时产生进气畸变，空压机的气动性能急剧下降，并且伴随着强烈的气动噪音。

发明内容

因此，本发明提供一种空压机，能够克服现有的连接管因设计不够理想，致使气流在进入第二级蜗壳内时，容易产生进气畸变的不足。

为了解决上述问题，本发明提供一种空压机，包括：一级压缩部与二级压缩部，所述一级压缩部具有第一级蜗壳，所述二级压缩部具有第二级蜗壳，所述第一级蜗壳的出气口与所述第二级蜗壳的进气口之间连接有连接管，所述连接管内具有导流结构，气流依次通过所述第一级蜗壳、连接管和第二级蜗壳。

在一些实施方式中，所述导流结构包括若干导流板，各所述导流板均具有第一侧边和第二侧边，各所述导流板的第一侧边相连接，各所述导流板的第二侧边分别连接在所述连接管的内壁上。

在一些实施方式中，所述导流板的厚度为0.8-1.5mm。

在一些实施方式中，所述导流板具有起始端点，所述连接管具有进口端面，所述进口端面处在气流的上游，所述起始端点处在气流的下游，所述起始端点与所述进口端面之间的距离L1为40-50mm。

在一些实施方式中，所述导流板的长度L2为连接管总长L的28％-35％。

在一些实施方式中，所述连接管包括第一管体、第二管体和第三管体，所述第一级蜗壳、第一管体、第二管体、第三管体和第二级蜗壳依次相连通，在沿气流行进方向上，所述第一管体的横截面由圆形逐渐变化到椭圆形，所述第二管体的横截面为椭圆形，所述第三管体的横截面由椭圆形逐渐变化到圆形，且所述第三管体的横截面积保持恒定。

在一些实施方式中，所述导流板为平直板体。

在一些实施方式中，各所述平直板体均匀地分布在第一管体和第二管体内，其中一所述平直板体与所述第一管体的椭圆长轴之间的夹角θ₁为10°-15°；和/或，所述平直板体的数量为三个或四个。

在一些实施方式中，所述导流板为弯曲板体。

在一些实施方式中，各所述弯曲板体均匀分布在第一管体和第二管体内，其中一所述弯曲板体的前倾角θ₂为10°-20°，顶部安装角γ为48°-52°；和/或，所述弯曲板体的数量为二至五个。

在一些实施方式中，所述第一管体的扩散角为0-2°。

在一些实施方式中，所述第二管体的扩散角为0-1°。

在一些实施方式中，所述第一管体占所述连接管总长L的25％-32％，所述第二管体占所述连接管总长L的48％-55％。

在一些实施方式中，所述第一管体的外侧具有和所述第一管体内部相连通的排气组件，所述排气组件与所述空压机具有的轴承和/或电机腔连通。

在一些实施方式中，所述排气组件包括通气孔基座和气嘴，所述第一管体的外侧具有通气孔基座，所述通气孔基座和所述第一管体的内部相连通，所述通气孔基座上安装有可拆卸的气嘴。

在一些实施方式中，所述通气孔基座的轴线和所述第一管体的椭圆形横截面的长轴重合，且通气孔基座处于气流行进方向的右侧。

在一些实施方式中，所述通气孔基座的内径为10-13mm，和/或，所述气嘴的内径为5-8mm。

在一些实施方式中，所述连接管分别和所述第一级蜗壳、第二级蜗壳可拆卸连接。

在一些实施方式中，所述连接管的一端和所述第一级蜗壳卡扣连接，所述连接管的另一端和所述第二级蜗壳通过紧固件螺纹连接。

本发明还提供一种燃料电池，包括上述的空压机。

本发明还提供一种新能源车，包括上述的燃料电池。

本发明提供一种空压机、燃料电池、新能源车，通过在连接管内设置导流结构，当气流自第一级蜗壳进入连接管内并经导流结构导流之后，气流漩涡能够被有效地消除掉，从而解决了气流在进入第二级蜗壳时，容易产生进气畸变的问题，使得空压机的气动效率明显得到提升，气流噪音明显减弱。

附图说明

图1为本发明实施例的空压机的结构示意图；

图2为本发明实施例的空压机的连接管的结构示意图；

图3为本发明实施例的空压机的连接管内安装平直板体的剖视图；

图4为本发明实施例的空压机的连接管内安装弯曲板体的剖视图；

图5为本发明实施例的空压机的连接管内安装平直板体的另一视觉剖视图；

图6为本发明实施例的空压机的弯曲板体的结构示意图；

图7为本发明实施例的空压机的弯曲板体的另一视觉示意图；

图8为现有技术的连接管内未设置导流板和本发明实施例的连接管内设置导流板的压缩效率的对比图；

图9为为现有技术的连接管内未设置导流板和本发明实施例的连接管内设置导流板的压缩比的对比图。

附图标记表示为：

1、第一级蜗壳；2、第二级蜗壳；3、连接管；31、第一管体；32、第二管体；33、第三管体；4、导流板；41、平直板体；42、弯曲板体；5、排气组件；51、通气孔基座；52、气嘴；6、电机。

具体实施方式

结合参见图1至图6所示，根据本发明的实施例，提供一种空压机，包括：一级压缩部与二级压缩部，一级压缩部具有第一级蜗壳1，二级压缩部具有第二级蜗壳2，第一级蜗壳1的出气口与第二级蜗壳2的进气口之间连接有连接管3，连接管3内具有导流结构，气流依次通过第一级蜗壳1、连接管3和第二级蜗壳2。该技术方案中，空压机运行时，气流从第一级蜗壳1的进气口进入，流经第一级叶轮、第一级扩压器，然后从第一级蜗壳1的出气口进入连接管3内，再从连接管3进入第二级蜗壳2内，流经第二级叶轮、第二级扩压器，接着从第二级蜗壳2的出气口排入到电堆。通过在连接管3内设置导流结构，当气流自第一级蜗壳1进入连接管3内并经导流结构导流之后，气流漩涡能够被有效地消除掉，从而解决了气流在进入第二级蜗壳2时，容易产生进气畸变的问题，使得空压机的气动效率明显得到提升，气流噪音明显减弱。

作为一种具体的实施方式，导流结构包括若干导流板4，各导流板4均具有第一侧边和第二侧边，各导流板4的第一侧边相连接，各导流板4的第二侧边分别连接在连接管3的内壁上。

在本实施例中，各导流板4将连接管3内的空间分割为若干个独立的流道，在这些流道的分流作用下，气流漩涡被快速地消除，气流的流动状况得到有效地改善，从而使得气流以较好的状态进入第二级蜗壳2内。

如图8所示，图8为现有技术的连接管3内未设置导流板4和本发明实施例的连接管3内设置导流板4的压缩效率的对比图，其中图8的横坐标代表质量流量，即单位时间内流过连接管3的气流的质量，纵坐标代表压缩效率，从图8中可以看出，随着质量流量的增加，连接管3内设置导流板4时的压缩效率明显更高。

如图9所示，图9为为现有技术的连接管3内未设置导流板4和本发明实施例的连接管3内设置导流板4的压缩比的对比图，其中图9的横坐标代表质量流量，即单位时间内流过连接管3的气流的质量，纵坐标代表压缩比，从图9中可以看出，随着质量流量的增加，连接管3内设置导流板4时的压缩比明显更高。

具体的，导流板4的厚度为0.8-1.5mm。

在本实施例中，导流板4太薄的话不能有效地打散气流漩涡，太厚的话会导致气流的损失增大，因此，导流板4的厚度为0.8-1.5mm时效果较佳，优选的，导流板4的厚度为1mm，在此厚度下导流板4的导流效果最佳。

作为一种具体的实施方式，导流板4具有起始端点，连接管3具有进口端面，进口端面处在气流的上游，起始端点处在气流的下游，起始端点与进口端面之间的距离L1为40-50mm。

在本实施例中，导流板4的起始端点与连接管3的进口端面之间的距离太近的话，从第一级蜗壳1出来的气流会立刻冲击到各导流板4的侧边上，致使气流损失较大，太远的话，不能充分发挥导流板4的导流作用，因此导流板4的起始端点和连接管3的进口端面之间的距离L1为40-50mm时较为妥当，优选的，该距离L1为45mm，因为在此距离下导流板4既不会对气流造成较大的损失又能够以最好的状态发挥导流作用。

作为一种具体的实施方式，导流板4的长度L2为连接管3总长L的28％-35％。

在本实施例中，导流板4过短不能充分消除气流漩涡，导流板4过长会导致气流损失过多，因此，导流板4的长度L2为连接管3总长L的28％-35％较为合适，优选的，导流板4的长度L2为连接管3总长L的30％，在此长度下导流板4的导流效果最佳，其中连接管3的总长L为连接管3轴线的总长度。

作为一种具体的实施方式，连接管3包括第一管体31、第二管体32和第三管体33，第一级蜗壳1、第一管体31、第二管体32、第三管体33和第二级蜗壳2依次相连通，在沿气流行进方向上，第一管体31的横截面由圆形逐渐变化到椭圆形，第二管体32的横截面为椭圆形，第三管体33的横截面由椭圆形逐渐变化到圆形，且第三管体33的横截面积保持恒定。

在本实施例中，在沿气流行进方向上，第一管体31的横截面由圆形逐渐变化到椭圆形，即第一管体31的进风口端面为圆形，除进风口端面之外，第一管体31剩余部分的横截面均为面积逐渐变化的椭圆，同时第一管体31的椭圆形截面为两边宽、上下窄，这样的设计使得气流漩涡在这种渐变的流道内会得到减弱；第二管体32的横截面为椭圆，由于第二管体32和第一管体31相互衔接，因此第二管体32的椭圆形截面也是两边宽、上下窄，这种恒定的椭圆形流道有益于经导流板4整流后的气流得到稳定，同时由于第一级蜗壳1和第二级蜗壳2的对置关系，第三管体33整段和第二管体32的部分段为弯曲状，由于第二管体32的横截面为两边宽、上下窄的椭圆形，相比于圆形设计，这种椭圆形管体在弯曲时能够减小转弯半径，从而降低整机的轴向长度，第三管体33的横截面积保持恒定利于气流从第三管体33内平稳过度，因为第三管体33和第二管体32相互衔接，所以第三管体33的进风口端面为椭圆，第三管体33的出风口端面为圆形则是为了方便和第二级蜗壳2连接，第三管体33的中心线采用贝塞尔曲线构造，这样能够较好的控制第三管体33的曲率，也能更加方便地设计出合适的管道。

作为一种具体的实施方式，导流板4为平直板体41。

在本实施例中，在小流量工况下，第一级蜗壳1出来的气流旋绕能力弱，导流板4为结构简单的平直板体41就能够较好地适应气流，并可以有效地消除气流漩涡，其中导流板4为平直板体41时，其侧面为矩形，这样的结构可以降低加工制造难度。

作为一种具体的实施方式，各平直板体41均匀地分布在第一管体31和第二管体32内，其中一平直板体41与第一管体31的椭圆长轴之间的夹角θ₁为10°-15°；和/或，平直板体41的数量为三个或四个。

在本实施例中，基于大涡破碎原理，平直板体41在第一管体31的椭圆流道内偏置一定的角度利于消弱气流漩涡和提高导流状况，因此各平直板体41需均匀地分布在连接管3内，且其中一个平直板体41与第一管体31的椭圆长轴之间的夹角θ₁为10°-15°，优选的，θ₁为12°。同时，因为过少的导流板4消除漩涡不充分，导流板4数量过多又会增加撞击损失和管阻，致使气流损失较大，所以平直板体41的数量选取三个或四个，优选的，平直板体41的数量为三个。

作为一种具体的实施方式，导流板4为弯曲板体42。

在本实施例中，在大流量工况下，第一级蜗壳1出来的气流旋绕能力强，导流板4为弯曲板体42能够较好的适应气流，减小气流的冲击损失，整流效果好，消除气流漩涡充分，其中弯曲板体42的前端为弯曲状，后面部分为平直状，即叶片型线为弯曲段与直线段构成，弯曲板体42的侧面投影类似机翼的形状。

作为一种具体的实施方式，各弯曲板体42均匀分布在第一管体31和第二管体32内，其中一弯曲板体42的前倾角θ₂为10°-20°，顶部安装角γ为48°-52°；和/或，弯曲板体42的数量为二至五个。

在本实施例中，为了更好地消弱气流漩涡和提高导流状况，弯曲板体42的前倾角θ₂为10°-20°，顶部安装角γ为48°-52°，优选的，θ₂为15°，γ为50°，其中前倾角θ₂表示弯曲板体42中前端的弯曲段相对于后面的平直段倾斜的角度，顶部安装角γ表示弯曲板体42最前端和第一管体31内壁相接触点的切线与第一管体31轴线之间的夹角。同时，因为过少的导流板4消除漩涡不充分，导流板4数量过多又会增加撞击损失和管阻，致使气流损失较大，因此弯曲板体42的数量选取二至五个，优选的，弯曲板体42的数量为四个。

作为一种具体的实施方式，所述第一管体31的扩散角为0-2°。

在本实施例中，A_in为连接管3各段进风口截面面积，A_out为连接管3各段出风口截面面积，L为连接管3各段长度，连接管3各段扩散角

扩散角表示在沿气流行进方向上连接管3各段的横截面积逐渐增大的状况，气流在进入连接管3内还需要进行适当的扩压，第一管体31具有一定的扩散角能够提高气体的静压力，但扩散角过大会造成扩压度大，损失也会增加，因此第一管体31的扩散角为0-2°，优选的，第一管体31的扩散角为2°，这样可以在合理的范围内进行最大化的扩压。

作为一种具体的实施方式，第二管体32的扩散角为0-1°。

在本实施例中，第二管体32主要是对整流后的气体进行稳流，因此第二管体32的扩散角选择范围可以比第一管体31的扩散角范围更小，优选的，第二管体32的扩散角为0°，扩散角为0°则表示第二管体32的横截面为等面积的椭圆，这样可以起到更好的稳流作用。

作为一种具体的实施方式，第一管体31占连接管3总长L的25％-32％，第二管体32占连接管3总长L的48％-55％。

在本实施例中，为了兼顾连接管3的导流效率和各导流板4能处在连接管3的直流道内，其中第一管体31占连接管3总长L的25％-32％，第二管体32占连接管3总长L的48％-55％，优选的，第一管体31占连接管3总长L的30％，第二管体32占连接管3总长L的50％。

作为一种具体的实施方式，第一管体31的外侧具有和第一管体31内部相连通的排气组件5，排气组件5与空压机具有的轴承和/或电机腔连通。

在本实施例中，当气流进入第一管体31后会分为两道，一道沿着第一管体31的流道继续前行，另一道会从排气组件5排出，从排气组件5排出的气流主要是对轴承和电机腔进行冷却，这样可以省去额外再增加冷却系统。

作为一种具体的实施方式，排气组件5包括通气孔基座51和气嘴52，第一管体31的外侧具有通气孔基座51，通气孔基座51和第一管体31的内部相连通，通气孔基座51上安装有可拆卸的气嘴52。

在本实施例中，气嘴52螺纹连接在通气孔基座51内，排气组件5采用通气孔基座51加气嘴52的组合，不仅结构简单而且冷却效果较好，能够明显降低轴承腔和电机腔内的温度。同时由于电机腔的中压较难测得，当通气孔基座51和气嘴52采用螺纹连接方式时，通过更换不同内径的气嘴52就可以应对中压变化，以达到控制轴承通气量的目的。进一步，第一管体31、第二管体32、第三管体33、导流板4和轴承通气孔基座51为一体结构，采用3D金属打印或铸造成型。

作为一种具体的实施方式，通气孔基座51的轴线和第一管体31的椭圆形横截面的长轴重合，且通气孔基座51处于气流行进方向的右侧。

在本实施例中，通气孔基座51的轴线和第一管体31的椭圆形横截面的长轴重合能够确保喷出的气体压力较大，冷却效果较好，通气孔基座51处于气流行进方向的右侧主要是因为轴承和电机腔处于该侧。

作为一种具体的实施方式，通气孔基座51的内径为10-13mm，和/或，气嘴52的内径为5-8mm。

在本实施例中，为了使通气孔基座51加气嘴52的组合排出的气流量不超过第一管体31内总气流量的8％，通气孔基座51的内径为10-13mm，气嘴52的内径为5-8mm，优选的，通气孔基座51的内径取12mm，气嘴52的内径取6mm。

作为一种具体的实施方式，连接管3分别和第一级蜗壳1、第二级蜗壳2可拆卸连接。

在本实施例中，连接管3的两端分别和第一级蜗壳1、第二级蜗壳2可拆卸连接，方便了随时对连接管3进行拆装。

作为一种具体的实施方式，连接管3的一端和第一级蜗壳1卡扣连接，连接管3的另一端和第二级蜗壳2通过紧固件螺纹连接。

在本实施例中，连接管3的一端和第一级蜗壳1卡扣连接即连接管3的进口端和第一级蜗壳1的出气口端均采用阶梯台阶进行对插式连接，优选的，第一级蜗壳1的出气口端插接在连接管3的进口端内，其中，第一级蜗壳1出气口端的台阶外壁面上构造有多圈沟槽，沟槽内添加密封圈进行密封；连接管3背离第一级蜗壳1的一端为连接管3的出口端面，第二级蜗壳2具有进气口端面，连接管3的出口端面和第二级蜗壳2的进气口端面通过两个螺栓螺纹连接，连接管3两端的这两种连接方式方便了连接管3的准确定位与更换。

根据本发明的实施例，还提供一种燃料电池，包括上述的空压机。

根据本发明的实施例，还提供一种新能源车，包括上述的燃料电池。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种空压机，其特征在于，包括一级压缩部与二级压缩部，所述一级压缩部具有第一级蜗壳(1)，所述二级压缩部具有第二级蜗壳(2)，所述第一级蜗壳(1)的出气口与所述第二级蜗壳(2)的进气口之间连接有连接管(3)，所述连接管(3)内具有导流结构，气流依次通过所述第一级蜗壳(1)、连接管(3)和第二级蜗壳(2)。

2.根据权利要求1所述的空压机，其特征在于，所述导流结构包括若干导流板(4)，各所述导流板(4)均具有第一侧边和第二侧边，各所述导流板(4)的第一侧边相连接，各所述导流板(4)的第二侧边分别连接在所述连接管(3)的内壁上。

3.根据权利要求2所述的空压机，其特征在于，所述导流板(4)的厚度为0.8-1.5mm。

4.根据权利要求2所述的空压机，其特征在于，所述导流板(4)具有起始端点，所述连接管(3)具有进口端面，所述进口端面处在气流的上游，所述起始端点处在气流的下游，所述起始端点与所述进口端面之间的距离L1为40-50mm。

5.根据权利要求2所述的空压机，其特征在于，所述导流板(4)的长度L2为连接管(3)总长L的28％-35％。

6.根据权利要求2所述的空压机，其特征在于，所述连接管(3)包括第一管体(31)、第二管体(32)和第三管体(33)，所述第一级蜗壳(1)、第一管体(31)、第二管体(32)、第三管体(33)和第二级蜗壳(2)依次相连通，在沿气流行进方向上，所述第一管体(31)的横截面由圆形逐渐变化到椭圆形，所述第二管体(32)的横截面为椭圆形，所述第三管体(33)的横截面由椭圆形逐渐变化到圆形，且所述第三管体(33)的横截面积保持恒定。

7.根据权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述导流板(4)为平直板体(41)。

8.根据权利要求7所述的空压机，其特征在于，各所述平直板体(41)均匀地分布在第一管体(31)和第二管体(32)内，其中一所述平直板体(41)与所述第一管体(31)的椭圆长轴之间的夹角θ₁为10°-15°；和/或，所述平直板体(41)的数量为三个或四个。

9.根据权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述导流板(4)为弯曲板体(42)。

10.根据权利要求9所述的空压机，其特征在于，各所述弯曲板体(42)均匀分布在第一管体(31)和第二管体(32)内，其中一所述弯曲板体(42)的前倾角θ₂为10°-20°，顶部安装角γ为48°-52°；和/或，所述弯曲板体(42)的数量为二至五个。

11.根据权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述第一管体(31)的扩散角为0-2°。

12.根据权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述第二管体(32)的扩散角为0-1°。

13.根据权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述第一管体(31)占所述连接管(3)总长L的25％-32％，所述第二管体(32)占所述连接管(3)总长L的48％-55％。

14.根据权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述第一管体(31)的外侧具有和所述第一管体(31)内部相连通的排气组件(5)，所述排气组件(5)与所述空压机具有的轴承和/或电机腔连通。

15.根据权利要求14所述的空压机，其特征在于，所述排气组件(5)包括通气孔基座(51)和气嘴(52)，所述第一管体(31)的外侧具有通气孔基座(51)，所述通气孔基座(51)和所述第一管体(31)的内部相连通，所述通气孔基座(51)上安装有可拆卸的气嘴(52)。

16.根据权利要求15所述的空压机，其特征在于，所述通气孔基座(51)的轴线和所述第一管体(31)的椭圆形横截面的长轴重合，且通气孔基座(51)处于气流行进方向的右侧。

17.根据权利要求15所述的空压机，其特征在于，所述通气孔基座(51)的内径为10-13mm，和/或，所述气嘴(52)的内径为5-8mm。

18.根据权利要求1所述的空压机，其特征在于，所述连接管(3)分别和所述第一级蜗壳(1)、第二级蜗壳(2)可拆卸连接。

19.根据权利要求18所述的空压机，其特征在于，所述连接管(3)的一端和所述第一级蜗壳(1)卡扣连接，所述连接管(3)的另一端和所述第二级蜗壳(2)通过紧固件螺纹连接。

20.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至19中任一项所述的空压机。

21.一种新能源车，其特征在于，包括如权利要求20所述的燃料电池。

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