CN114876824A - 一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构 - Google Patents

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Abstract

一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，膨胀端导向器上设有将膨胀机内部与膨胀端导向器和膨胀端轴承座之间的空腔相连通的连通通道，连通通道内安装分水滤芯，膨胀机内的冷却气体依次经分水滤芯、连通通道进入电机壳体内部对定子和主轴进行冷却。集成程度高，占用空间小，膨胀机运转时还可给电机提供助力，降低电机功率，达到节能降耗目的；膨胀机内的冷却气体对两个径向空气轴承、主轴及定子、两个止推空气轴承进行降温，分水滤芯可使冷却气体内的大部分水蒸气凝结成水并回流至膨胀机内，避免了水进入电机内部造成电机水淹，且膨胀机内的冷却气体温度低，单位时间内冷却效率高，冷却效果好，避免了出现因内部温度过高导致被迫停机的情况。

Description

一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构
技术领域：
本发明涉及一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构。
背景技术：
目前发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节，为了保障燃料电池发动机正常工作，发动机一般需要氢气供应子系统、空气供应子系统和循环水冷却管理子系统等辅助系统，大量的研究表明，高压、大流量的空气供应对提高现有燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。因此，一般空气进入发动机之前，要对进气进行增压，离心式空压机就是实现该目标的一种能量转换装置，是燃料电池发动机空气供应系统的重要零部件之一。
目前的单级高速离心空压机，如公开号为CN110247504A，名称为一种用于氢燃料电池双冷式超高速离心空压机电机总装的专利申请，其结构主要包括壳体、定子和主轴，壳体一端内侧安装用于支撑主轴的轴承座，轴承座外侧安装扩压器，主轴穿出扩压器安装蜗轮，蜗轮外安装有蜗壳，蜗壳上设有进气口和出气口，扩压器与轴承座之间的主轴上套设有止推盘。这种结构的单级高速离心压缩机，主要存在以下缺点：
(1)从燃料电池排出的气体，经常会利用膨胀机进行降低能耗，目前所有的单级高速离心空压机与膨胀机都是分体设置的两套设备，使用时都是单独使用，集成程度低，占用空间大，目前还没有将单级高速离心空压机与膨胀机集成的技术出现。
(2)目前的单级高速离心压缩机，工作时，主轴转速超过10000r/min，由于其转速很高，工作时内部会产生大量的热量，这些热量如果不及时排出形成热量堆积，会出现因内部温度过高导致被迫停机的情况。现在一般都通过外部水冷和内部风冷两种形式对离心压缩机进行降温，其中，内部风冷形式要求离心压缩机内部零件具有导风功能，在内部形成供空气行进的合理的导通路线才能对各部件进行充分降温，公开号为CN110247504A的专利中就是公开了通过冷却水道和冷却叶轮进行降温的双冷却结构，但是，这仅限于单级高速离心压缩机的结构形式。而如果将单级高速离心压缩机与膨胀机集成，上述结构则不适用，一是没有冷却叶轮的安装空间，二是膨胀机内的混合气体，湿度非常大，这些混合气体如果直接用来对电机内部进行降温，会在电机内部产生大量积水，造成电机水淹而无法工作，同时对电机定子和主轴造成腐蚀，影响电机的使用寿命。
综上，单级高速离心压缩机的上述问题，已成为行业内亟需解决的技术难题。
发明内容：
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，解决了以往的单级高速离心空压机与膨胀机分体设置、集成程度低的问题，解决了膨胀机内混合气体的湿度过大不能直接利用的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，包括电机壳体、定子和主轴，电机壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的压缩端轴承座和膨胀端轴承座，电机壳体两端外侧分别安装压缩端扩压器和膨胀端导向器，主轴一端穿出压缩端扩压器安装有压缩装置，主轴另一端穿出膨胀端导向器安装有膨胀机；所述膨胀端导向器上设有将膨胀机内部与膨胀端导向器和膨胀端轴承座之间的空腔相连通的连通通道，所述连通通道内安装分水滤芯，膨胀机内的冷却气体依次经分水滤芯、连通通道、膨胀端导向器和膨胀端轴承座之间的空腔进入电机壳体内部对定子和主轴进行冷却，最后经压缩端轴承座和压缩端扩压器之间的空腔排出外界。
所述压缩装置包括安装在主轴上的压缩蜗轮，压缩蜗轮外侧设有与电机壳体相连的压缩蜗壳，压缩蜗壳内设有压缩蜗道，压缩蜗壳上设有压缩进气口和压缩出气口。
所述膨胀机包括安装在主轴上的膨胀叶轮，膨胀叶轮外侧设有与电机壳体相连的膨胀机外壳，膨胀机外壳内部设有膨胀蜗道，膨胀机外壳上设有膨胀进气口和膨胀出气口。
所述连通通道包括相连通的第一横向通道、竖向通道和第二横向通道，所述分水滤芯安装在第一横向通道内，第二横向通道的位置高于第一横向通道的位置。
所述分水滤芯包括烧结滤芯。
所述压缩端扩压器、压缩端轴承座、电机壳体上设有与压缩端轴承座和压缩端扩压器之间的空腔相连通的排气通道，电机壳体上设有与排气通道相连通的冷却气体排气口。
所述压缩端扩压器与压缩端轴承座之间的主轴上安装有止推盘，止推盘两侧分别设有一个止推空气轴承，膨胀机内的冷却气体对两个止推空气轴承进行冷却。
所述压缩端轴承座和膨胀端轴承座与主轴之间分别设有径向空气轴承，膨胀机内的冷却气体对两个径向空气轴承进行冷却。
所述电机壳体内设有电机冷却水道。
本发明采用上述方案，具有以下优点：
通过将压缩装置与膨胀机集成在电机的两端，集成程度高，占用空间小，膨胀机运转时还可给电机提供助力，降低电机功率，达到节能降耗目的；
通过在膨胀端导向器上设置将膨胀机内部与膨胀端导向器和膨胀端轴承座之间的空腔相连通的连通通道，在连通通道内安装分水滤芯，膨胀机内的冷却气体依次经分水滤芯、连通通道、膨胀端导向器和膨胀端轴承座之间的空腔进入电机壳体内部对两个径向空气轴承、主轴及定子、两个止推空气轴承进行降温，分水滤芯可使冷却气体内的大部分水蒸气凝结成水并回流至膨胀机内，避免了水进入电机内部造成电机水淹，避免了对电机定子和主轴造成腐蚀，保证了电机的使用寿命，且膨胀机内的冷却气体温度低，单位时间内冷却效率高，冷却效果好，电机内部热量可及时排出不会形成热量堆积，避免了出现因内部温度过高导致被迫停机的情况。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中的A部放大结构示意图。
图中，1、电机壳体，2、定子，3、主轴，4、压缩端轴承座，5、膨胀端轴承座，6、压缩端扩压器，7、膨胀端导向器，8、连通通道，9、分水滤芯，10、压缩蜗轮，11、压缩蜗壳，12、压缩蜗道，13、压缩进气口，14、压缩出气口，15、膨胀叶轮，16、膨胀机外壳，17、膨胀蜗道，18、膨胀进气口，19、膨胀出气口，20、第一横向通道，21、竖向通道，22、第二横向通道，23、排气通道，24、冷却气体排气口，25、止推盘，26、止推空气轴承，27、径向空气轴承，28、电机冷却水道。
具体实施方式：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
如图1-2所示，一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，包括电机壳体1、定子2和主轴3，电机壳体1两端内侧分别安装用于支撑主轴3的压缩端轴承座4和膨胀端轴承座5，电机壳体1两端外侧分别安装压缩端扩压器6和膨胀端导向器7，主轴3一端穿出压缩端扩压器6安装有压缩装置，主轴3另一端穿出膨胀端导向器7安装有膨胀机，将压缩装置与膨胀机集成在电机的两端，集成程度高，占用空间小，膨胀机运转时还可给电机提供助力，降低电机功率，达到节能降耗目的；所述膨胀端导向器7上设有将膨胀机内部与膨胀端导向器7和膨胀端轴承座5之间的空腔相连通的连通通道8，所述连通通道8内安装分水滤芯9，膨胀机内的冷却气体依次经分水滤芯9、连通通道8、膨胀端导向器7和膨胀端轴承座5之间的空腔进入电机壳体1内部对定子2和主轴3进行冷却，最后经压缩端轴承座4和压缩端扩压器6之间的空腔排出外界。
所述压缩装置包括安装在主轴3上的压缩蜗轮10，压缩蜗轮10外侧设有与电机壳体1相连的压缩蜗壳11，压缩蜗壳11内设有压缩蜗道12，压缩蜗壳11上设有压缩进气口13和压缩出气口14。
所述膨胀机包括安装在主轴3上的膨胀叶轮15，膨胀叶轮15外侧设有与电机壳体1相连的膨胀机外壳16，膨胀机外壳16内部设有膨胀蜗道17，膨胀机外壳16上设有膨胀进气口18和膨胀出气口19。
所述连通通道8包括相连通的第一横向通道20、竖向通道21和第二横向通道22，所述分水滤芯9安装在第一横向通道20内，第二横向通道22的位置高于第一横向通道20的位置，即使分水滤芯9内的小部分水进入竖向通道21，水位也不会超过第二横向通道22，水会从分水滤芯9回流至膨胀机内，避免了水进入电机内部造成电机水淹，避免了对电机定子2和主轴3造成腐蚀，保证了电机的使用寿命。
所述分水滤芯9包括烧结滤芯，由多层金属烧结网，采用多层不锈钢网经过特殊叠层压制，网孔相互交错，经真空烧结而成的具有较高强度及整体钢性的新型过滤材料，具有高强度、高精度、耐热性、易清洗等特点。
所述压缩端扩压器6、压缩端轴承座4、电机壳体1上设有与压缩端轴承座4和压缩端扩压器6之间的空腔相连通的排气通道23，电机壳体1上设有与排气通道23相连通的冷却气体排气口24，冷却气体经排气通道23从冷却气体排气口24排出。
所述压缩端扩压器6与压缩端轴承座4之间的主轴3上安装有止推盘25，止推盘25两侧分别设有一个止推空气轴承26，膨胀机内的冷却气体对两个止推空气轴承26进行冷却。
所述压缩端轴承座4和膨胀端轴承座5与主轴3之间分别设有径向空气轴承27，膨胀机内的冷却气体对两个径向空气轴承27进行冷却。
所述电机壳体1内设有电机冷却水道28，用于对电机进行降温。
工作原理：
工作时，主轴3的一端带动压缩蜗轮10旋转，压缩蜗轮10上设有压缩进气口13，气体从压缩进气口13进入压缩蜗道12，经压缩蜗轮10增压后，从压缩出气口14排出。而燃料电池系统内部反应后排出的混合气体进入膨胀进气口18，然后进入膨胀蜗道17，混合气体在膨胀蜗道17内推动膨胀叶轮15旋转，给电机的主轴3提供助力，混合气体最后从膨胀出气口19排出进行后续再利用。膨胀机内的混合气体降温后形成冷却气体，而且具有一定压力，冷却气体依次经分水滤芯9、竖向通道21、第二横向通道22、膨胀端导向器7和膨胀端轴承座5之间的空腔进入电机壳体1内部对两个径向空气轴承27、主轴3及定子2、两个止推空气轴承26进行降温，分水滤芯9可使冷却气体内的大部分水蒸气凝结成水并回流至膨胀机内，避免了水进入电机内部造成电机水淹，避免了对电机定子和主轴造成腐蚀，保证了电机的使用寿命，且膨胀机内的冷却气体温度低，单位时间内冷却效率高，冷却效果好，电机内部热量可及时排出不会形成热量堆积，避免了出现因内部温度过高导致被迫停机的情况，冷却气体最后经排气通道23从冷却气体排气口24排出外界。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：包括电机壳体、定子和主轴，电机壳体两端内侧分别安装用于支撑主轴的压缩端轴承座和膨胀端轴承座，电机壳体两端外侧分别安装压缩端扩压器和膨胀端导向器，主轴一端穿出压缩端扩压器安装有压缩装置，主轴另一端穿出膨胀端导向器安装有膨胀机；所述膨胀端导向器上设有将膨胀机内部与膨胀端导向器和膨胀端轴承座之间的空腔相连通的连通通道，所述连通通道内安装分水滤芯，膨胀机内的冷却气体依次经分水滤芯、连通通道、膨胀端导向器和膨胀端轴承座之间的空腔进入电机壳体内部对定子和主轴进行冷却，最后经压缩端轴承座和压缩端扩压器之间的空腔排出外界。
2.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述压缩装置包括安装在主轴上的压缩蜗轮，压缩蜗轮外侧设有与电机壳体相连的压缩蜗壳，压缩蜗壳内设有压缩蜗道，压缩蜗壳上设有压缩进气口和压缩出气口。
3.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述膨胀机包括安装在主轴上的膨胀叶轮，膨胀叶轮外侧设有与电机壳体相连的膨胀机外壳，膨胀机外壳内部设有膨胀蜗道，膨胀机外壳上设有膨胀进气口和膨胀出气口。
4.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述连通通道包括相连通的第一横向通道、竖向通道和第二横向通道，所述分水滤芯安装在第一横向通道内，第二横向通道的位置高于第一横向通道的位置。
5.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述分水滤芯包括烧结滤芯。
6.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述压缩端扩压器、压缩端轴承座、电机壳体上设有与压缩端轴承座和压缩端扩压器之间的空腔相连通的排气通道，电机壳体上设有与排气通道相连通的冷却气体排气口。
7.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述压缩端扩压器与压缩端轴承座之间的主轴上安装有止推盘，止推盘两侧分别设有一个止推空气轴承，膨胀机内的冷却气体对两个止推空气轴承进行冷却。
8.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述压缩端轴承座和膨胀端轴承座与主轴之间分别设有径向空气轴承，膨胀机内的冷却气体对两个径向空气轴承进行冷却。
9.根据权利要求1所述的一种高速离心空压机与膨胀机集成系统风冷结构，其特征在于：所述电机壳体内设有电机冷却水道。
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