CN115434952A - 一种高速离心空压机与膨胀机集成装置的热交换系统 - Google Patents

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Abstract

一种高速离心空压机与膨胀机集成装置的热交换系统，电机壳体上设有进气嘴和壳体进气通道，压缩端轴承座内设有轴承座进气通道，压缩端扩压器内设有扩压器进气通道，压缩端轴承座内还设有与扩压器进气通道相连通的轴承座排气通道；膨胀端导向器内设有导向器排气通道，所述电机壳体与膨胀蜗壳之间设有第一预热腔，所述膨胀蜗壳的侧壁内设有第二预热腔，膨胀蜗壳的侧壁内设有将第一预热腔和第二预热腔相连通的预热进气通道，膨胀蜗壳的侧壁内设有与第二预热腔相连通的预热排气通道；气体将压缩端和电机内部的热量带出，冷却效率高，冷却效果好，压缩端和电机内部热量可及时排出不会形成热量堆积，减小了膨胀端凝水量，避免了膨胀机水淹。

Description

一种高速离心空压机与膨胀机集成装置的热交换系统
技术领域：
本发明涉及一种高速离心空压机与膨胀机集成装置的热交换系统。
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。
申请人于2022年5月23日申请了公开号为CN114893419A，名称为一种燃料电池单级高速离心空压机与膨胀机集成系统的专利申请，其公开了一种空压机与膨胀机集成的结构形式，在具体工作时，一方面，压缩端和电机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；另一方面，燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机，推动膨胀叶轮旋转，膨胀叶轮用于回收燃料电池电堆排出的气体能量，给转子提供助力。由于燃料电池电堆排出的高温气体含有一定水蒸气，在进入膨胀机后遇冷会凝结成水，温差越大凝结水量越大，轻则影响膨胀机的正常工作，重则造成膨胀机水淹，目前还没有很好的办法来解决上述问题。
综上，压缩端和电机内的冷却以及膨胀端的凝水问题，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装置的热交换系统，解决了压缩端和电机内部热量排出不及时形成热量堆积的问题，解决了以往燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机后遇冷会凝结成水的问题，缩小了温差，减小了凝水量。
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装置的热交换系统，包括电机壳体、定子和转子，电机壳体两端内侧分别安装用于支撑转子的压缩端轴承座和膨胀端轴承座，压缩端轴承座外侧安装压缩端扩压器，转子穿出压缩端扩压器安装有压缩叶轮，压缩叶轮外侧设有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端进气口和压缩端出气口，压缩端轴承座与压缩端扩压器之间设有止推盘和止推轴承，压缩端轴承座与转子之间设有压缩端径向轴承；
膨胀端轴承座外侧安装膨胀端导向器，转子穿出膨胀端导向器安装有膨胀叶轮，膨胀叶轮外侧设有与电机壳体相连的膨胀蜗壳，膨胀蜗壳内部设有膨胀蜗道，膨胀蜗壳上设有与膨胀蜗道相连通的膨胀端进气口和膨胀端出气口，膨胀端轴承座与转子之间设有膨胀端径向轴承；
所述电机壳体上设有进气嘴和壳体进气通道，压缩端轴承座内设有轴承座进气通道，压缩端扩压器内设有扩压器进气通道，压缩端轴承座内还设有与扩压器进气通道相连通的轴承座排气通道；膨胀端导向器内设有导向器排气通道，所述电机壳体与膨胀蜗壳之间设有第一预热腔，所述膨胀蜗壳的侧壁内设有第二预热腔，膨胀蜗壳的侧壁内设有将第一预热腔和第二预热腔相连通的预热进气通道，膨胀蜗壳的侧壁内设有与第二预热腔相连通的预热排气通道；
气体从进气嘴经壳体进气通道和轴承座进气通道进入，一部分气体经止推盘与压缩端轴承座之间的间隙、压缩端轴承座与转子之间的间隙进入电机壳体内部，对止推盘内侧的止推轴承和压缩端径向轴承进行降温，另一部分气体经止推盘与压缩端扩压器之间的间隙、扩压器进气通道、轴承座排气通道进入电机壳体内部，对止推盘外侧的止推轴承进行降温，电机壳体内的气体再带走定子和转子工作时产生的热量，气体再经膨胀端轴承座与转子之间的缝隙进入膨胀端导向器，对膨胀端径向轴承进行降温，气体将压缩端和电机内部的热量带出，气体温度升高，气体再经导向器排气通道进入第一预热腔，用于对膨胀蜗壳进行一级预热，第一预热腔内的气体经预热进气通道进入第二预热腔，用于对膨胀蜗壳进行二级预热，第二预热腔内的气体从预热排气通道向外排出。
所述第二预热腔呈环形设置在膨胀蜗壳的侧壁内。
所述第二预热腔设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀蜗道的位置。
所述预热进气通道设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀端进气口的位置。
所述预热排气通道与膨胀端出气口相连通。
所述预热进气通道和预热排气通道设在第二预热腔的相对两侧。
本发明采用上述方案，具有以下优点：
通过在压缩端轴承座内设有轴承座进气通道，压缩端扩压器内设有扩压器进气通道，压缩端轴承座内还设有与扩压器进气通道相连通的轴承座排气通道，气体从进气嘴经壳体进气通道和轴承座进气通道进入，一部分气体经止推盘与压缩端轴承座之间的间隙、压缩端轴承座与转子之间的间隙进入电机壳体内部，对止推盘内侧的止推轴承和压缩端径向轴承进行降温，另一部分气体经止推盘与压缩端扩压器之间的间隙、扩压器进气通道、轴承座排气通道进入电机壳体内部，对止推盘外侧的止推轴承进行降温，电机壳体内的气体再带走定子和转子工作时产生的热量，气体再经膨胀端轴承座与转子之间的缝隙进入膨胀端导向器，对膨胀端径向轴承进行降温，气体将压缩端和电机内部的热量带出，冷却效率高，冷却效果好，压缩端和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；
通过在电机壳体与膨胀蜗壳之间设置第一预热腔，可对膨胀蜗壳进行一级预热，通过在膨胀蜗壳的侧壁内设置第二预热腔，对膨胀蜗壳进行二级预热，在燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机之前，先将具有一定温度的气体进入第一预热腔和第二预热腔内，充分对膨胀蜗壳以及膨胀蜗道进行预热，以缩小膨胀机与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，大大减小了凝水量，减小液滴对膨胀叶轮的冲击破坏，避免了膨胀机水淹，保证了膨胀机的性能。
附图说明：
图1为本发明的剖视结构示意图。
图2为本发明压缩端扩压器和压缩端轴承座的剖视结构示意图。
图3为本发明膨胀端导向器的剖视结构示意图。
图中，1、电机壳体，2、定子，3、转子，4、压缩端轴承座，5、膨胀端轴承座，6、压缩端扩压器，7、压缩叶轮，8、压缩蜗壳，9、压缩蜗道，10、压缩端进气口，11、压缩端出气口，12、止推盘，13、止推轴承，14、压缩端径向轴承，15、膨胀端导向器，16、膨胀叶轮，17、膨胀蜗壳，18、膨胀蜗道，19、膨胀端进气口，20、膨胀端出气口，21、膨胀端径向轴承，22、进气嘴，23、壳体进气通道，24、轴承座进气通道，25、扩压器进气通道，26、轴承座排气通道，27、导向器排气通道，28、第一预热腔，29、第二预热腔，30、预热进气通道，31、预热排气通道。
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1-3所示，一种高速离心空压机与膨胀机集成装置的热交换系统，包括电机壳体1、定子2和转子3，电机壳体1两端内侧分别安装用于支撑转子3的压缩端轴承座4和膨胀端轴承座5，压缩端轴承座4外侧安装压缩端扩压器6，转子3穿出压缩端扩压器6安装有压缩叶轮7，压缩叶轮7外侧设有电机壳体1相连的压缩蜗壳8，压缩蜗壳8内设有压缩蜗道9，压缩蜗壳8上设有压缩端进气口10和压缩端出气口11，压缩端轴承座4与压缩端扩压器6之间设有止推盘12和止推轴承13，压缩端轴承座4与转子3之间设有压缩端径向轴承14；
膨胀端轴承座5外侧安装膨胀端导向器15，转子3穿出膨胀端导向器15安装有膨胀叶轮16，膨胀叶轮16外侧设有与电机壳体1相连的膨胀蜗壳17，膨胀蜗壳17内部设有膨胀蜗道18，膨胀蜗壳17上设有与膨胀蜗道18相连通的膨胀端进气口19和膨胀端出气口20，膨胀端轴承座5与转子3之间设有膨胀端径向轴承21；
所述电机壳体1上设有进气嘴22和壳体进气通道23，压缩端轴承座4内设有轴承座进气通道24，压缩端扩压器6内设有扩压器进气通道25，压缩端轴承座4内还设有与扩压器进气通道25相连通的轴承座排气通道26；膨胀端导向器15内设有导向器排气通道27，所述电机壳体1与膨胀蜗壳17之间设有第一预热腔28，所述膨胀蜗壳17的侧壁内设有第二预热腔29，膨胀蜗壳17的侧壁内设有将第一预热腔28和第二预热腔29相连通的预热进气通道30，膨胀蜗壳17的侧壁内设有与第二预热腔29相连通的预热排气通道31；
气体从进气嘴22经壳体进气通道23和轴承座进气通道24进入，一部分气体经止推盘12与压缩端轴承座4之间的间隙、压缩端轴承座4与转子3之间的间隙进入电机壳体1内部，对止推盘12内侧的止推轴承13和压缩端径向轴承14进行降温，另一部分气体经止推盘12与压缩端扩压器6之间的间隙、扩压器进气通道25、轴承座排气通道26进入电机壳体1内部，对止推盘12外侧的止推轴承13进行降温，电机壳体1内的气体再带走定子2和转子3工作时产生的热量，气体再经膨胀端轴承座5与转子3之间的缝隙进入膨胀端导向器15，对膨胀端径向轴承21进行降温，气体将压缩端和电机内部的热量带出，气体温度升高，气体再经导向器排气通道27进入第一预热腔28，用于对膨胀蜗壳17进行一级预热，第一预热腔28内的气体经预热进气通道30进入第二预热腔29，用于对膨胀蜗壳17进行二级预热，第二预热腔29内的气体从预热排气通道31向外排出。
所述第二预热腔29呈环形设置在膨胀蜗壳17的侧壁内，可充分利用膨胀蜗壳17空间，增大预热面积，增强预热效果。
所述第二预热腔29设在膨胀蜗壳17的侧壁内靠近膨胀蜗道18的位置，燃料电池电堆排出的高温气体从膨胀端进气口19进入后直接进入膨胀蜗道18，第二预热腔29可增强对膨胀蜗道18的预热效果，尽可能的缩小温差。
所述预热进气通道30设在膨胀蜗壳17的侧壁内靠近膨胀端进气口19的位置，可以对膨胀端进气口19进行预热。
所述预热排气通道31与膨胀端出气口20相连通，可将第二预热腔29内的气体直接排入膨胀端出气口20。
所述预热进气通道30和预热排气通道31设在第二预热腔29的相对两侧，可延长气体在第二预热腔29内的停留时间，以进行充分的热交换，增强预热效果。
工作原理：
在燃料电池电堆排出的高温气体进入膨胀机之前，气体从进气嘴22经壳体进气通道23和轴承座进气通道24进入，一部分气体经止推盘12与压缩端轴承座4之间的间隙、压缩端轴承座4与转子3之间的间隙进入电机壳体1内部，对止推盘12内侧的止推轴承13和压缩端径向轴承14进行降温，另一部分气体经止推盘12与压缩端扩压器6之间的间隙、扩压器进气通道25、轴承座排气通道26进入电机壳体1内部，对止推盘12外侧的止推轴承13进行降温，电机壳体1内的气体再带走定子2和转子3工作时产生的热量，气体再经膨胀端轴承座5与转子3之间的缝隙进入膨胀端导向器15，对膨胀端径向轴承21进行降温，气体将压缩端和电机内部的热量带出，实现压缩端和电机的冷却功能；而且气体温度升高，气体再经导向器排气通道27进入第一预热腔28，用于对膨胀蜗壳17进行一级预热，第一预热腔28内的气体经预热进气通道30进入第二预热腔29，用于对膨胀蜗壳17进行二级预热，以缩小膨胀机与燃料电池电堆排出的高温气体之间的温差，预热完成后，燃料电池电堆排出的高温气体再进入膨胀机，第一预热腔28和第二预热腔29内可持续供入气体进行预热，始终保持一定温度以缩小温差，达到减小凝水量的目的，第二预热腔29内的气体从预热排气通道31排至膨胀端出气口20向外排出。
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 (6)

1.一种高速离心空压机与膨胀机集成装置的热交换系统，其特征在于：包括电机壳体、定子和转子，电机壳体两端内侧分别安装用于支撑转子的压缩端轴承座和膨胀端轴承座，压缩端轴承座外侧安装压缩端扩压器，转子穿出压缩端扩压器安装有压缩叶轮，压缩叶轮外侧设有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端进气口和压缩端出气口，压缩端轴承座与压缩端扩压器之间设有止推盘和止推轴承，压缩端轴承座与转子之间设有压缩端径向轴承；
膨胀端轴承座外侧安装膨胀端导向器，转子穿出膨胀端导向器安装有膨胀叶轮，膨胀叶轮外侧设有与电机壳体相连的膨胀蜗壳，膨胀蜗壳内部设有膨胀蜗道，膨胀蜗壳上设有与膨胀蜗道相连通的膨胀端进气口和膨胀端出气口，膨胀端轴承座与转子之间设有膨胀端径向轴承；
所述电机壳体上设有进气嘴和壳体进气通道，压缩端轴承座内设有轴承座进气通道，压缩端扩压器内设有扩压器进气通道，压缩端轴承座内还设有与扩压器进气通道相连通的轴承座排气通道；膨胀端导向器内设有导向器排气通道，所述电机壳体与膨胀蜗壳之间设有第一预热腔，所述膨胀蜗壳的侧壁内设有第二预热腔，膨胀蜗壳的侧壁内设有将第一预热腔和第二预热腔相连通的预热进气通道，膨胀蜗壳的侧壁内设有与第二预热腔相连通的预热排气通道；
气体从进气嘴经壳体进气通道和轴承座进气通道进入，一部分气体经止推盘与压缩端轴承座之间的间隙、压缩端轴承座与转子之间的间隙进入电机壳体内部，对止推盘内侧的止推轴承和压缩端径向轴承进行降温，另一部分气体经止推盘与压缩端扩压器之间的间隙、扩压器进气通道、轴承座排气通道进入电机壳体内部，对止推盘外侧的止推轴承进行降温，电机壳体内的气体再带走定子和转子工作时产生的热量，气体再经膨胀端轴承座与转子之间的缝隙进入膨胀端导向器，对膨胀端径向轴承进行降温，气体将压缩端和电机内部的热量带出，气体温度升高，气体再经导向器排气通道进入第一预热腔，用于对膨胀蜗壳进行一级预热，第一预热腔内的气体经预热进气通道进入第二预热腔，用于对膨胀蜗壳进行二级预热，第二预热腔内的气体从预热排气通道向外排出。
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装置的热交换系统，其特征在于：所述第二预热腔呈环形设置在膨胀蜗壳的侧壁内。
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装置的热交换系统，其特征在于：所述第二预热腔设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀蜗道的位置。
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装置的热交换系统，其特征在于：所述预热进气通道设在膨胀蜗壳的侧壁内靠近膨胀端进气口的位置。
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装置的热交换系统，其特征在于：所述预热排气通道与膨胀端出气口相连通。
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装置的热交换系统，其特征在于：所述预热进气通道和预热排气通道设在第二预热腔的相对两侧。
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Denomination of invention: A heat exchange system for the integrated device of high-speed centrifugal air compressor and expander

Granted publication date: 20230829

Pledgee: Qingdao Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Yantai Branch

Pledgor: YANTAI DONGDE INDUSTRIAL Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980007136

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