CN115773243B - 一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，涉及罗茨氢泵技术领域。不但能够解决氢泵排气管内的气体回流以及高频噪音的问题，而且能够避免齿间封闭腔室带来的安全隐患。该装置包括泵体、端盖和两个转子；工作腔的前壁面上设有第一回流槽、第二回流槽和第三回流槽；第一回流槽位于中心水平面上方；第二回流槽和第三回流槽均位于中心水平面下方；当齿间封闭腔室位于中心水平面上方时，第一回流槽连通进气口和齿间封闭腔室；当齿间封闭腔室位于中心水平面下方时，第二回流槽连通排气口和齿间封闭腔室；当其中一个转子旋转至与工作腔侧壁之间形成基元容积时，第三回流槽连通排气口和基元容积。

Description

一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵

技术领域

本申请涉及罗茨氢泵技术领域，尤其涉及一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵。

背景技术

由于应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵具有体积小、易损件少、使用寿命长、变工况适应性强等特点，因此，在燃料电池汽车的氢气循环系统中，其可以在宽工况范围内强制输气，确保氢循环系统持续运行。但是，由于罗茨泵是一种容积式压缩机，是通过罗茨叶片的高速旋转不断形成基元容积，在输气的同时提升气体的压力。因此其强制输气具有周期性，以三叶罗茨泵为例，旋转一周共有六个输气周期，而且是通过排气侧高压气体向基元容积内回流均压实现压力提升的。这就导致应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵出口的气流脉动与噪声较为严重。且应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵出口的气流脉动还会进一步影响二次流与一次流的混合，进而使电堆入口的氢气流极不稳定，影响电堆反应效率。另外，当使用渐开线-圆弧型线罗茨叶片时，齿间封闭腔室的存在还会给带液运行带来了一定的安全隐患。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，不但能够显著降低氢泵出口的压力波动、质量流量波动并优化扭矩结构，从而解决氢泵排气管内的气体回流以及高频噪音的问题，进而提高电堆入口处氢气流的稳定性，提高电堆的反应效率并延长电堆的寿命，而且能够避免齿间封闭腔室带来的安全隐患。

为了达到上述目的，本申请的实施例提供了一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，包括泵体、端盖和两个转子；所述泵体内限定出开口朝后的工作腔；所述端盖设置在所述泵体的口部；两个所述转子均沿前后方向设置在所述工作腔内，且所述转子位于所述工作腔的中心水平面上；所述转子型线为渐开线-圆弧型线形；所述工作腔的上端面上开设进气口，下端面上开设排气口；所述端盖、所述工作腔的前壁面以及相互啮合的两个所述转子共同形成齿间封闭腔室；所述工作腔的前壁面上设有第一回流槽、第二回流槽和第三回流槽；所述第一回流槽位于所述中心水平面上方；所述第二回流槽和所述第三回流槽均位于所述中心水平面下方，且所述第三回流槽靠近所述排气口设置；当所述齿间封闭腔室位于所述中心水平面上方时，所述第一回流槽连通所述进气口和所述齿间封闭腔室；当所述齿间封闭腔室位于所述中心水平面下方时，所述第二回流槽连通所述排气口和所述齿间封闭腔室；当其中一个所述转子旋转至与工作腔侧壁之间形成基元容积时，所述第三回流槽连通所述排气口和所述基元容积。

进一步地，所述端盖上设有第四回流槽、第五回流槽和第六回流槽；所述第四回流槽与所述第一回流槽相对于所述泵体的竖直水平面对称设置；所述第五回流槽与所述第二回流槽相对于所述泵体的竖直水平面对称设置；所述第六回流槽与所述第三回流槽相对于所述泵体的竖直水平面对称设置。

进一步地，所述第一回流槽为相对于所述中心竖直面左右对称的轴对称图形，其中部入口连通所述进气口，端部出口连通所述齿间封闭腔室。

进一步地，所述第一回流槽为倒置的“V”形槽。

进一步地，所述第二回流槽为相对于所述中心竖直面左右对称的轴对称图形，其中部连通所述进气口，端部连通所述齿间封闭腔室。

进一步地，所述第二回流槽为“U”形槽。

进一步地，所述第三回流槽为相对于所述中心竖直面左右对称的轴对称图形，其中部连通所述排气口，端部连通所述基元容积。

进一步地，所述第三回流槽为两端向上延伸的长条形。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵通过在泵体的轴向端面上设置多个回流槽，使基元容积和排气口连通、齿间封闭腔室与进气口或排气口连通，从而显著降低了氢泵出口的压力波动、质量流量波动，并改善了齿间封闭腔室内压力过低/过高的问题，提高了罗茨氢泵的寿命和安全性，特别是对于带液工况。

2、本申请实施例能够解决氢泵排气管内的气体回流以及高频噪音的问题，进而提高电堆入口处氢气流的稳定性，提高电堆的反应效率并延长电堆的寿命，而且能够避免齿间封闭腔室带来的安全隐患。

3、本申请实施例将回流槽设置在工作腔轴向端面上，使得整个装置的体积更小、端面间隙可以适当放大，加工更方便，同时，对内泄漏的影响也更小。

4、本申请实施例通过仿真与实验的分析与对比，基本还原了氢循环系统的部件与管道长度，证实了回流槽可以显著降低波动与噪声，减少一次流二次流混合时波动，提高电堆的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是燃料电池供氢系统的结构示意图；

图2是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵的立体结构示意图；

图3是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵中回流槽的结构示意图；

图4是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵过膨胀腔室升压区间图；

图5是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵过压缩腔室降压区间图；

图6是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵过基元容积升压区间图；

图7是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵与现有技术罗茨氢泵的基元容积升压过程对比图；

图8是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵与现有技术罗茨氢泵压缩过程中的压力变化曲线图；

图9是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵与现有技术罗茨氢泵出口压力波动变化图；

图10是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵与现有技术罗茨氢泵腔内压力变化图；

图11是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵与现有技术罗茨氢泵腔出口流量的周期变化图；

图12是本申请实施例应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵与现有技术罗茨氢泵腔出口流量的波动图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参见图1，在常规的燃料电池供氢系统中，氢气瓶10向燃料电池堆供氢，高压氢气依次通过安全阀20、减压阀30向喷氢阀40提供氢气，喷氢阀40提供的氢气(称作一次流)与氢循环泵50输送的氢气(称作二次流)进行混合，将氢气由氢气入口601送入燃料电池堆60。氢气在电堆中与阴极输入的氧气进行化学反应，未反应的的氢气携带着电堆产生的液态水和水蒸气从阳极出口602排出，成为需要被循环的氢气流。氢气流通过分水器70分离大部分水，其余的气体进入应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵50进行压缩。

参照图2，氢循环系统对罗茨氢泵的升压稳定性要求一般较高，相同压升下，转速越高流量越大，罗茨泵的升压效果在不同转速下也要求相对稳定。本申请的实施例提供了一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，包括泵体1、端盖2和两个转子3。其中，泵体1内限定出开口朝后的工作腔11，端盖2设置在泵体1的口部。两个转子3均沿前后方向设置在工作腔11内，且转子3位于工作腔11的中心水平面5上。转子3的型线为渐开线-圆弧型线形。工作腔11的上端面上开设进气口12，下端面上开设排气口13，排气口13与进气口12相对。

参照图2和图4，端盖2、工作腔11的前壁面以及相互啮合的转子3共同形成齿间封闭腔室4。需要说明的是，由于两个转子3均持续转动，因此，齿间封闭腔室4并不是一个固定位置及大小的区域。也就是说，其中一个转子3的三个罗茨叶片中的任意一个罗茨叶片与另一个转子3相互啮合形成的腔室均为齿间封闭腔室4。

参照图3，工作腔11的前壁面上设有第一回流槽14、第二回流槽15和第三回流槽16。第一回流槽14位于中心水平面5的上方。第二回流槽15和第三回流槽16均位于中心水平面5的下方，且第三回流槽16靠近排气口13设置。

具体的，参照图2和图3，第一回流槽14为相对于中心竖直面左右对称的轴对称图形。例如，倒置的“V”形槽。第一回流槽14包括上端入口141，左端出口142和右端出口143。上端入口141位于竖直水平面6上，且向靠近进气口12的方向延伸。左端出口142和右端出口143相对于中心竖直面6对称设置，且分别向靠近转子的方向延伸。第一回流槽14的每一段可以为直线形，也可以为弧线形，此处不做限定。

第二回流槽15也为相对于中心竖直面6左右对称的轴对称图形。例如，“U”形槽或半环形槽。第二回流槽15包括上端左入口151和上端右入口152。上端左入口151和上端右入口152相对于中心竖直面6对称设置，且分别向靠近转子的方向延伸。

第三回流槽16也为相对于中心竖直面6左右对称的轴对称图形。例如，两端向上延伸的长条形。第三回流槽16包括左端入口161和右端入口162。

参照图4和图6，在360°的一个旋转工作周期内，按照连通腔室的不同，转子3转动的角度范围分为过膨胀腔室升压区间、过压缩腔室降压区间以及基元容积提前升压区间这三个功能区。

参照图4和图6，按照连通腔室的不同，过膨胀腔室升压区间、过压缩腔室降压区间以及基元容积提前升压区间这三个功能区交替出现(存在重叠)，每个功能区的实现分别有着固定的转子3转动角度范围。

参照图4，当相互啮合的两个转子3相向旋转，且齿顶位于中心水平面5的上方时，即本申请实施例中的转子3转动至过膨胀腔室升压区间。

在转子旋转的过程中，两个转子3之间形成上述齿间封闭腔室4，其截面呈月牙形。此时，第一回流槽14的上端入口141连通进气口12，左端出口142连通齿间封闭腔室4。由于此时齿间封闭腔室4位于中心水平面5之上，齿间封闭腔室4的最低压力会远小于进气压力。在该工作区间下，齿间封闭腔室4的体积增大的过程极为迅速，呈几十倍增长，导致腔室内气体密度减小，压力飞速降低。加入第一回流槽14之后，在该工作区间时，气体会从进气口12沿第一回流槽14快速流入齿间封闭腔室4，显著提升过膨胀腔室的压力。需要说明的是，图中的箭头的指示方向即为气体的流动方向。

参照图5，相互啮合的两个转子3继续相向旋转，当齿间封闭腔室4位于中心水平面5的下方时，本申请实施例中的转子3转动至过压缩腔室降压区间。

此时，第二回流槽15的上端左入口151连通齿间封闭腔室4，下部连通排气口13。齿间封闭腔室4内的最高压力会远大于进气压力。其最低压力会远小于进气压力。在该区间，齿间封闭腔室4的体积缩小的过程极为迅速，呈几十倍减小，导致腔室内气体密度增大，压力飞速提升。加入第二回流槽15之后，在该工作区间时，气体会从齿间封闭腔室4内沿第二回流槽15快速流入排气口13，显著降低过压缩腔室的压力。

需要说明的是，在360°的一个旋转周期内，过膨胀腔室升压区间和过压缩腔室降压区间分别出现六次，其位置和区间关于中心水平面5和中心竖直面6完全对称。在平衡齿间封闭腔室4内的压力的同时，第一回流槽14和第二回流槽15的加入还改善了作用于转子3上的扭矩结构，削弱了扭矩变化曲线中的次峰，解决了扭矩方向的高频突变问题，起到了延长转子3的寿命的作用。

参照图6，相互啮合的两个转子3继续相向旋转，当左侧的转子3转动至与工作腔11的侧壁共同形成基元容积7时，即本申请实施例中的转子3转动至基元容积升压区间。此时，第三回流槽16的左端入口161连通基元容积7，中部连通排气口13。

从基元容积7形成之后，到基元容积7与排气口13连通之前，基元容积7的体积不变，其内部压力接近进气压力。在基元容积7与排气口13连通的过程中，高压气体回流进行压力的平衡，导致了气流的剧烈脉动。加入第三回流槽16之后，气体提前从排气口13沿第三回流槽16进入到基元容积7内，逐渐提升基元容积7内的压力，升压效果如图7所示。由于在基元容积7与排气口13连通之前，基元容积7的压力就被提升到了接近排气压力的水平，因此，可以显著削弱了气体回流与高频噪声、降低了压力和流量的波动。

另外，此时，左侧转子3中位于上方的叶片与右侧的转子3之间同时形成了上述齿间封闭腔室4。此时，第一回流槽14的上端入口141连通进气口12，右端出口143连通齿间封闭腔室4。同理，此时气体会从进气口12沿第一回流槽14快速流入过齿间封闭腔室4，显著提升齿间封闭腔室4的压力。也就是说，过膨胀腔室升压区间、过压缩腔室降压区间以及基元容积提前升压区间并不是始终分开的，也可以有重叠的时间段。此时，其中的两个回流槽可以同时起到回流的作用。

端盖2上也设有第四回流槽(图中未示)、第五回流槽(图中未示)和第六回流槽(图中未示)。其中，第四回流槽与第一回流槽14相对于竖直水平面6对称设置。第五回流槽与第二回流槽15相对于竖直水平面6对称设置。第六回流槽与第三回流槽16相对于竖直水平面对称设置6。第四回流槽、第五回流槽和第六回流槽的结构和工作原理与第一回流槽14、第二回流槽15和第三回流槽16相同，此处不再详述。

经过数值仿真计算，本申请实施例相比未加入回流槽的现有技术，能够显著降低出口的压力波动和质量流量波动，并降低高频噪声。另外，发明人还通过空气实验验证了仿真的结果。

参照图7，图中的实线为本申请实施例气体压力随转角的变化曲线，虚线为现有技术无回流槽的气体压力随转角的变化曲线。从图中可以看出，本申请实施例在基元容积7与排气口13连通之前，基元容积7的压力就被提升到了接近排气压力的水平，显著削弱了气体回流与高频噪声、降低了压力和流量的波动。

参照图8，图中的红色曲线为本申请实施例压缩过程的曲线，黑色曲线为现有技术无回流槽的压缩过程的曲线。参照图9，图中的带上三角形曲线为本申请实施例M5测试点的出口压力曲线，带正方形曲线为现有技术无回流槽的M5测试点的出口压力曲线；带下三角形曲线为本申请实施例M6测试点的出口压力曲线，带圆形曲线为现有技术无回流槽的M6测试点的出口压力曲线。图8和图9可以看出，在仿真结果中，加入回流槽后排气压力的波动显著降低。

参照图10，其为腔内压力的仿真结果：

Ⅰ和Ⅱ展示了回流结构第一回流槽14和第四回流槽的效果，提升腔内压力，更接近进气压力。Ⅳ和Ⅴ展示了第二回流槽15和六回流槽的效果，降低了腔内压力，更接近排气压力。Ⅲ展示了第三回流槽16和第六回流槽的效果，提前对基元容积进行了升压。

图11展示了本申请实施例与未加入回流槽的现有技术出口流量的周期变化。图12展示了本申请实施例与未加入回流槽的现有技术出口流量的波动变化。由图11和图12可以看出，加入回流槽后显著降低了出口流量波动，在7000转时波动就有14.7％。对比加入回流槽之前，在5000转时降幅超过65％。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，

包括泵体、端盖和两个转子；所述泵体内限定出开口朝后的工作腔；所述端盖设置在所述泵体的口部；两个所述转子均沿前后方向设置在所述工作腔内，且所述转子位于所述工作腔的中心水平面上；所述转子的型线为渐开线-圆弧型线形；所述工作腔的上端面上开设进气口，下端面上开设排气口；所述端盖、所述工作腔的前壁面以及相互啮合的两个所述转子共同形成齿间封闭腔室；

所述工作腔的前壁面上设有第一回流槽、第二回流槽和第三回流槽；所述第一回流槽位于所述中心水平面上方；所述第二回流槽和所述第三回流槽均位于所述中心水平面下方，且所述第三回流槽靠近所述排气口设置；

当所述齿间封闭腔室位于所述中心水平面上方时，所述第一回流槽连通所述进气口和所述齿间封闭腔室；当所述齿间封闭腔室位于所述中心水平面下方时，所述第二回流槽连通所述排气口和所述齿间封闭腔室；当其中一个所述转子旋转至与工作腔侧壁之间形成基元容积时，所述第三回流槽连通所述排气口和所述基元容积。

2.根据权利要求1所述的应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，所述端盖上设有第四回流槽、第五回流槽和第六回流槽；所述第四回流槽与所述第一回流槽相对于所述泵体的竖直水平面对称设置；所述第五回流槽与所述第二回流槽相对于所述泵体的竖直水平面对称设置；所述第六回流槽与所述第三回流槽相对于所述泵体的竖直水平面对称设置。

3.根据权利要求1所述的应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，所述第一回流槽为相对于所述中心竖直面左右对称的轴对称图形，其中部入口连通所述进气口，端部出口连通所述齿间封闭腔室。

4.根据权利要求3所述的应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，所述第一回流槽为倒置的“V”形槽。

5.根据权利要求1所述的应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，所述第二回流槽为相对于所述中心竖直面左右对称的轴对称图形，其中部连通所述进气口，端部连通所述齿间封闭腔室。

6.根据权利要求5所述的应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，所述第二回流槽为“U”形槽。

7.根据权利要求1所述的应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，所述第三回流槽为相对于所述中心竖直面左右对称的轴对称图形，其中部连通所述排气口，端部连通所述基元容积。

8.根据权利要求7所述的应用于燃料电池汽车系统的罗茨氢泵，其特征在于，所述第三回流槽为两端向上延伸的长条形。