CN116221169A - 一种燃料电池氢气循环泵密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氢燃料汽车零部件技术领域的燃料电池氢气循环泵密封结构。动环(10)通过过盈配合安装到轴套(12)，动环端面(17)与轴套(12)贴合；轴套(12)通过过盈配合安装到电机转子轴(7)，动环(10)表面或静环(11)表面设置多个凹进的旋转槽(a)和多个密封面(b)，每个旋转槽(a)位于相邻两个密封面(b)之间位置。本发明所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，能够有效解决气腔和电机之间密封不良时混合气会进入轴承内部和电机内部导致轴承和电机内部锈蚀和损坏问题，通过接触式和非接触式方式实现各泄漏点密封，提高循环泵使用性能和使用寿命。

Description

一种燃料电池氢气循环泵密封结构
技术领域
本发明属于氢燃料汽车零部件技术领域，更具体地说，是涉及一种燃料电池氢气循环泵密封结构。
背景技术
燃料电池是通过氢气与空气中的氧气之间的电化学反应产生电能，是将化学能转化为电能的过程，并伴随着水的产生。实际应用中，一般氢气的供给量大于电化学反应的需求量，为了节省能源，并防止氢气直接排入空气造成环境污染以及爆燃的危险，需要通过氢气循环泵对这部分氢气进行回收再利用。由于回收氢气中含有大量水蒸气和部分液态水，当气腔和电机之间密封不良时，混合气会进入轴承内部和电机内部，导致轴承和电机内部锈蚀和损坏。为了解决这一技术难题，现有技术大致有两种解决方案，一是利用密封性能较好的盘式电机和耐水性能较好的陶瓷轴承方案，但是成本较高；二是利用气封或者接触式机械密封，但是产品寿命较短，且磨损材料会污染电堆系统。
现有技术中有名称为“一种高稳定性氢气循环泵”、公开号为“113389725A”的技术，该技术包括泵体和电机，泵体由齿轮壳体、密封壳体和气体循环壳体组成，齿轮壳体与密封壳体之间并排架有主动轴和从动轴，主动轴上装有主动齿轮，从动轴上装有从动齿轮，主动轴、从动轴与密封壳体连接处均安装有磁力密封件，主动轴上安装有甩油环，主动轴与从动轴装有主动爪轮和从动爪轮。通过主动爪轮、从动爪轮贴合转动逐渐由较大空间缩小至仅剩弧形弯钩凹陷的最小空间，期间氢气逐渐增压后从出气口挤出，挤出效果更好；在永磁铁的作用下，磁性动环始终紧贴静环转动，同时在环形限位槽、环形限位件的作用下转动更稳定并进一步增强密封性，再结合静环密封圈、动环密封圈的密封，使得润滑油及氢气不易泄漏。
然而，该技术没有涉及本申请的技术问题和技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够有效解决气腔和电机之间密封不良时混合气会进入轴承内部和电机内部导致轴承和电机内部锈蚀和损坏问题，通过接触式和非接触式方式实现各泄漏点密封，提高循环泵使用性能和使用寿命的燃料电池氢气循环泵密封结构。
结构简单，成本较低，寿命较长的非接触式密封
要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明为一种燃料电池氢气循环泵密封结构，弹簧座通过过盈配合安装到泵体，弹簧座外端面与泵体贴合；弹簧座的外圈凹槽内安装外圈密封圈，弹簧座的内圈凹槽内安装内圈密封圈，弹簧座内依次安装弹簧和静环，静环外圈与弹簧座之间间隙配合；静环内圈和弹簧座间隙配合产生的泄漏点Ⅰ通过内圈密封圈密封，静环外圈和弹簧座间隙配合产生的泄露点Ⅱ通过密封圈密封；动环通过过盈配合安装到轴套，动环端面与轴套贴合；轴套通过过盈配合安装到电机转子轴，动环表面或静环表面设置多个凹进的旋转槽和多个密封面，每个旋转槽位于相邻两个密封面之间位置。
所述的循环泵的泵体一侧和盖板之间形成气腔，泵体另一侧安装电机，电机的电机转子轴延伸到气腔内的一端安装叶轮。
所述的电机转子轴由多个轴承支撑，叶轮设置为能够在电机转子轴7的带动下旋转并泵送氢气和水的混合气的结构。
所述的电机与泵体固定连接，电机转子轴一端通过一个轴承支撑在电机位置，电机转子轴另一位置通过另一个轴承支撑在泵体位置。
所述的静环和弹簧座端面之间安装弹簧。
所述的动环的动环端面设置多个旋转槽，动环端面面向静环一侧；旋转槽开口方向与动环的旋转方向相同。
所述的轴套在电机转子轴上安装到位后，动环和静环设置为贴合并压缩弹簧的结构。
所述的氢气循环泵未工作时，静环设置为能够在弹簧的推动作用下与动环贴合的结构；氢气循环泵工作时，静环设置为能够和动环分离的结构。
所述的氢气循环泵未工作或者低速运转时，静环和动环设置为能够处于贴合状态的结构。
所述的氢气循环泵高速工作时，在离心力作用下，混合气进入动环旋转槽并形成局部高压，动环和静环之间产生的气体压力产生的力大于弹簧产生的弹力，推动静环向远离动环方向移动，使得动环和静环分离的结构。
采用本发明的技术方案，工作原理及有益效果如下所述：
本发明所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，对三个泄漏点分别实现密封，动环和静环之间是非接触结构，就是说，不是始终密封，而是状态可变，在需要密封的环节实现密封。循环泵使用时，氢气循环泵未工作时，静环在弹簧的推动作用下与动环贴合；氢气循环泵工作时，静环和动环分离。氢气循环泵未工作或者低速运转时，静环和动环处于贴合状态，此时防止混合气从动环和静环的结合面泄露到电机侧，实现可靠密封。氢气循环泵高速工作时，在离心力作用下，混合气进入动环旋转槽并形成局部高压，动环和静环之间产生气体压力，等到气体压力产生的力大于弹簧产生的弹力时，气体压力推动静环向远离动环方向移动，使得动环和静环分离。动环和静环分离的间隙由气压和弹簧弹力决定。微小的间隙一方面防止动环和静环直接接触，降低磨损，提高产品寿命，另一方面形成一层薄薄的高压气模，防止气腔的混合气通过泄漏点Ⅲ泄露到电机侧，实现该部位的可靠密封。
附图说明
下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：
图1为本发明所述的燃料电池氢气循环泵密封结构的结构示意图；
图2为本发明所述的燃料电池氢气循环泵密封结构的结构示意图；
图3为本发明所述的燃料电池氢气循环泵密封结构的结构示意图；
附图中标记分别为：1、泵体；2、盖板；3、气腔；4、电机；5、定子；6、转子；7、电机转子轴；8、轴承；9、叶轮；10、动环；11、静环；12、轴套；13、弹簧座；14、弹簧；15、内圈密封圈；16、外圈密封圈；17、轴套端面；18、弹簧座外端面；19、弹簧座内端面；20、动环端面；a、旋转槽；b、密封面；c、泄漏点Ⅰ；d、泄漏点Ⅱ；e、泄露点Ⅲ。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：
如附图1-附图3所示，本发明为一种燃料电池氢气循环泵密封结构，弹簧座13通过过盈配合安装到泵体1，过盈配合可以防止混合气通过结合面泄露到电机侧，弹簧座外端面18与泵体1贴合，实现安装限位；弹簧座13的外圈凹槽内安装外圈密封圈15，弹簧座13的内圈凹槽内安装内圈密封圈16，弹簧座13内依次安装弹簧14和静环11，静环11外圈与弹簧座13之间间隙配合，从而保证在弹簧14推力作用下轴向自由移动；静环11内圈和弹簧座13间隙配合产生的泄漏点Ⅰc通过内圈密封圈15密封，静环11外圈和弹簧座13间隙配合产生的泄露点Ⅱd通过密封圈16密封，防止混合气通过静环11与弹簧座13结合面泄露到电机侧；动环10通过过盈配合安装到轴套12，动环端面17与轴套12贴合，实现动环10安装限位；轴套12通过过盈配合安装到电机转子轴7，过盈配合可以防止混合气通过结合面泄露到电机侧，动环10表面或静环11表面设置多个凹进的旋转槽a和多个密封面b，每个旋转槽a位于相邻两个密封面b之间位置。上述结构，针对现有技术中存在的问题，提出改进的技术方案。通过对循环泵的内部结构的局部改进，使得在循环泵工作时，相关部件在相应环节实现相应动作，实现泄漏点的密封。重要的是，密封是对三个泄漏点分别实现密封，而动环和静环之间是非接触结构，也就是说，不是始终密封，而是状态可变，在需要密封的环节实现密封。循环泵使用时，氢气循环泵未工作时，静环11在弹簧14的推动作用下与动环10贴合；氢气循环泵工作时，静环11和动环10分离。氢气循环泵未工作或者低速运转时，静环11和动环10处于贴合状态，此时防止混合气从动环和静环的结合面泄露到电机侧，实现可靠密封。氢气循环泵高速工作时，在离心力作用下，混合气进入动环旋转槽a并形成局部高压，动环10和静环11之间产生气体压力，等到气体压力产生的力大于弹簧产生的弹力时，气体压力推动静环11向远离动环10方向移动，使得动环10和静环11分离。因为动环10和静环11分离的间隙由气压和弹簧弹力决定。微小的间隙一方面防止动环10和静环11直接接触，降低磨损，提高产品寿命，另一方面形成一层薄薄的高压气模，防止气腔3的混合气通过泄漏点Ⅲe泄露到电机侧，实现该部位的可靠密封。本发明所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，能够有效解决气腔和电机之间密封不良时混合气会进入轴承内部和电机内部导致轴承和电机内部锈蚀和损坏问题，通过接触式和非接触式方式实现各泄漏点密封，提高循环泵使用性能和使用寿命。
所述的循环泵的泵体1一侧和盖板2之间形成气腔3，泵体1另一侧安装电机4，电机4的电机转子轴7延伸到气腔3内的一端安装叶轮9。上述结构，泵体和盖板固定连接，形成气腔，而泵体另一端的电机固定连接泵体，电机的电机转子轴延伸到泵体内，连接叶轮。
所述的电机转子轴7由多个轴承8支撑，叶轮9设置为能够在电机转子轴7的带动下旋转并泵送氢气和水的混合气的结构。所述的电机与泵体固定连接，电机转子轴7一端通过一个轴承支撑在电机位置，电机转子轴另一位置通过另一个轴承支撑在泵体1位置。上述结构，电机转子轴通过多个轴承实现可靠支撑，转动时驱动叶轮转动。
所述的静环11和弹簧座端面19之间安装弹簧14。上述结构，弹簧选用螺旋弹簧，通过弹簧的弹簧力，施加外力在静环上，形成推动静环向动环方向靠近的外力，在循环泵未工作时使得静环贴合动环。
所述的动环10的动环端面20设置多个旋转槽a，动环端面20面向静环11一侧；旋转槽a开口方向与动环10的旋转方向相同。上述结构，旋转槽沿动环的动环端面一圈布置，从而形成旋转槽a和密封面b交错布置的结构。这样的结构，在氢气循环泵高速工作时，在离心力作用下，混合气进入动环旋转槽a并形成局部高压，动环10和静环11之间产生的气体压力产生的力大于弹簧产生的弹力，推动静环11向远离动环10方向移动，从而使得动环10和静环11分离。
所述的轴套12在电机转子轴7上安装到位后，动环10和静环11设置为贴合并压缩弹簧14的结构。上述结构，弹簧座内的弹簧施加外力在静环11上，动环10也产生阻挡力在静环上，从而压缩弹簧。
所述的氢气循环泵未工作时，静环11设置为能够在弹簧14的推动作用下与动环10贴合的结构；氢气循环泵工作时，静环11设置为能够和动环10分离的结构。上述结构，在循环泵工作时，巡皇泵在不同工况下，密封结构的相关部件会有不同的状态。所述的氢气循环泵未工作或者低速运转时，静环11和动环10设置为能够处于贴合状态的结构，防止混合气从结合面泄露到电机侧。所述的氢气循环泵高速工作时，在离心力作用下，混合气进入动环旋转槽a并形成局部高压，动环10和静环11之间产生的气体压力产生的力大于弹簧产生的弹力，推动静环11向远离动环10方向移动，使得动环10和静环11分离的结构。分离的间隙由气压和弹簧弹力决定。微小的间隙一方面防止动环10和静环11直接接触，提高产品寿命，另一方面形成一层薄薄的高压气模，防止气腔3的混合气通过泄漏点III泄露到电机侧。
本发明所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，对三个泄漏点分别实现密封，动环和静环之间是非接触结构，就是说，不是始终密封，而是状态可变，在需要密封的环节实现密封。循环泵使用时，氢气循环泵未工作时，静环在弹簧的推动作用下与动环贴合；氢气循环泵工作时，静环和动环分离。氢气循环泵未工作或者低速运转时，静环和动环处于贴合状态，此时防止混合气从动环和静环的结合面泄露到电机侧，实现可靠密封。氢气循环泵高速工作时，在离心力作用下，混合气进入动环旋转槽并形成局部高压，动环和静环之间产生气体压力，等到气体压力产生的力大于弹簧产生的弹力时，气体压力推动静环向远离动环方向移动，使得动环和静环分离。动环和静环分离的间隙由气压和弹簧弹力决定。微小的间隙一方面防止动环和静环直接接触，降低磨损，提高产品寿命，另一方面形成一层薄薄的高压气模，防止气腔的混合气通过泄漏点Ⅲ泄露到电机侧，实现该部位的可靠密封。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：弹簧座(13)通过过盈配合安装到泵体(1)，弹簧座外端面(18)与泵体(1)贴合；弹簧座(13)的外圈凹槽内安装外圈密封圈(15)，弹簧座(13)的内圈凹槽内安装内圈密封圈(16)，弹簧座(13)内依次安装弹簧(14)和静环(11)，静环(11)外圈与弹簧座(13)之间间隙配合；静环(11)内圈和弹簧座(13)间隙配合产生的泄漏点Ⅰ(c)通过内圈密封圈(15)密封，静环(11)外圈和弹簧座(13)间隙配合产生的泄露点Ⅱ(d)通过密封圈(16密封；动环(10)通过过盈配合安装到轴套(12)，动环端面(17)与轴套(12)贴合；轴套(12)通过过盈配合安装到电机转子轴(7)，动环(10)表面或静环(11)表面设置多个凹进的旋转槽(a)和多个密封面(b)，每个旋转槽(a)位于相邻两个密封面(b)之间位置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的循环泵的泵体(1)一侧和盖板(2)之间形成气腔(3)，泵体(1)另一侧安装电机(4)，电机(4)的电机转子轴(7)延伸到气腔(3)内的一端安装叶轮(9)。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的电机转子轴(7)由多个轴承(8)支撑，叶轮(9)设置为能够在电机转子轴(7)的带动下旋转并泵送氢气和水的混合气的结构。
4.根据权利要求3所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的电机(4)与泵体(1)固定连接，电机转子轴(7)通过一个轴承(8)支撑在电机位置，电机转子轴(7)通过另一个轴承支撑在泵体(1)位置。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的静环(11)和弹簧座端面(19)之间安装弹簧(14)。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的动环(10)的动环端面(20)设置多个旋转槽(a)，动环端面(20)面向静环(11)一侧；旋转槽(a)开口方向与动环(10)的旋转方向相同。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的轴套(12)在电机转子轴(7)上安装到位后，动环(10)和静环(11)设置为贴合并压缩弹簧(14)的结构。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的氢气循环泵未工作时，静环(11)设置为能够在弹簧(14)的推动作用下与动环(10)贴合的结构；氢气循环泵工作时，静环(11)设置为能够和动环(10)分离的结构。
9.根据权利要求8所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的氢气循环泵未工作或者低速运转时，静环(11)和动环(10)设置为能够处于贴合状态的结构。
10.根据权利要求9所述的燃料电池氢气循环泵密封结构，其特征在于：所述的氢气循环泵高速工作时，在离心力作用下，混合气进入动环旋转槽(a)并形成局部高压，动环(10)和静环(11)之间产生的气体压力产生的力大于弹簧产生的弹力时，推动静环(11)向远离动环(10)方向移动，使得动环(10)和静环(11)分离的结构。
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