CN201525296U

CN201525296U - 汽车旋转动能传递装置

Info

Publication number: CN201525296U
Application number: CN2009201569245U
Authority: CN
Inventors: 汉斯·布斯·冈沃
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: US20090325000A1; US9496569B2

Abstract

一种汽车旋转动能传递装置。用于汽车燃料电池的旋转动能传递装置包括：叶轮和涡轮中的一种，与燃料电池堆流体连通；电机；轴，可操作地与所述叶轮和涡轮中的一种结合。所述装置还包括设置在所述轴中的加热元件。该加热元件被构造成与电机的定子线圈选择性地电结合。

Description

汽车旋转动能传递装置

技术领域

本实用新型的实施例涉及一种汽车旋转动能传递装置。

背景技术

对于加热旋转机械元件，已知特定的技术。Albaric等人的美国第4,200,784号专利是一种这样的示例。Albaric等人公开了一种用于加热轴的中空、可旋转的轴孔加热组件。通过位于形成在多个底座构件的内表面上的狭槽中的多个电子加热器对可旋转的轴进行加热，所述多个底座构件插入到中空的轴中并且通过偏置结构朝着中空的轴偏置。偏置结构提供在圆周上相邻的底座构件之间的偏置力，以在轴的非旋转期间保持轴和底座构件之间的接触。

Hooper的美国第4,329,566号专利是另一个示例。Hooper公开了一种在用于将调色剂图像定影到载体表面(support surface)的熔合设备中使用的加热的熔合辊。熔合辊包括圆形套管构件，该圆形套管构件具有置于其中的至少一个加热单元。每个加热单元包括：(i)多个轴向设置的热传导构件；(ii)多个晶片状加热元件；(iii)弹性机构。加热单元的每个通过绝缘构件彼此隔开。在热传导构件的平坦表面上设置了多个腔。在所述腔的每个中设置一个加热元件。

实用新型内容

为了解决燃料电池系统在低温下产生水而引起的冻结问题提出本实用新型。燃料电池系统的阳极系统和阴极系统均容易出现上述问题。例如，阳极系统是闭环或者死循环系统(dead ended system)，其仅在净化(purge)期间通往大气。来自加湿器的湿气或者MEA本身的湿气导致水的产生。容易冻结的旋转组件的示例是闭环阳极子系统的氢循环鼓风机(hydrogenrecirculation bolower)。叶轮与旋转轴相对于壳体具有精密公差(tighttorerance)。例如，由于在设备的低温适应(cold soak)期间聚集的水会使得叶轮和旋转轴之一或者二者冻结。另一种情况是对于开环系统的阴极系统。从燃料电池堆产生的水流向下游，这里容易冻结的旋转组件的示例可能是膨胀器。而且，相对于壳体，旋转轴和涡轮具有精密公差。在设备的低温适应期间，在操作过程中，潮湿的空气凝结的水或者仅是泄漏到膨胀器或者聚集的水会冻结。

用于包括燃料电池堆的汽车燃料电池的旋转动能传递装置包括：叶轮和涡轮中的一种，与燃料电池堆流体连通；电机，包括定子线圈；轴，可操作地与所述叶轮和涡轮中的一种结合。所述装置还包括：加热元件，设置在所述轴中，并被构造成与所述定子线圈选择性地电结合。

所述加热元件配置成与所述定子线圈电结合。

所述加热元件配置成与所述定子线圈电分离。

所述装置还包括机械调速器组件，所述机械调速器组件可操作地与所述轴结合，并被构造成如果所述轴以阈值速度或者大于阈值速度的速度旋转，则所述机械调速器组件使所述加热元件与定子线圈电分离。

所述机械调速器组件包括导电构件，其特征在于，所述加热元件和定子线圈经该导电构件选择性地电结合。

所述机械调速器组件配置成相对于所述轴沿轴向运动。

所述导电构件包括导电板。

所述轴包括凹槽，导电构件包括凸榫，如果导电构件相对于所述轴运动，则所述凸榫在所述凹槽中运动。

用于机动车辆的包括定子线圈的旋转动能传递装置包括：叶轮和涡轮中的一种；旋转构件，与所述叶轮和涡轮中的一种机械地结合。旋转构件包括用于对所述旋转构件加热的加热元件。所述装置还包括：机械调速器组件，被构造成基于旋转构件的旋转速度将所述加热元件和定子线圈选择性地电结合。

所述机械调速器组件包括具有导电部分的导电构件，其中，所述机械调速器组件经导电部分将加热元件和定子线圈选择性地电连接。

包括定子线圈的汽车旋转动能传递装置的包括加热元件的对轴的加热方法包括：如果所述轴的旋转速度小于阈值旋转速度，则将所述加热元件与所述定子线圈电结合，如果所述轴的速度旋转等于或者大于阈值旋转速度，则将所述加热元件与所述定子线圈电分离。

虽然根据本实用新型的示例性实施例被示出并被描述，但是，这种公开不应该被解释为限制本实用新型。应该预见到，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以进行各种修改和替换设计。

在特定实施例中，加热元件的电子控制不是必要的。

本实用新型的一个或者更多实施例提供两个目的：一个是提供热；另一个是提供电流。具体地讲，在旋转轴中钻小直径孔，并在该小直径孔中插入加热元件(例如，镍铬合金线或者易于装配的Calrod)。中空轴仍然需要提供需要的转子动态刚性度(rotor dynamic rigidity)和强度。应该注意：在燃料电池系统中使用的涡轮或者叶轮通常由铝制成。在锻造形式(wrought form)下使用时，铝的热导系数(k)大约为175W/m·K。旋转轴通常由不锈钢或者钢制成。不锈钢的热导系统(k)大约为15W/m·K。因此，钢制的旋转轴产生的热将传递到叶轮和叶轮周围的壳体。加热元件需要被供电以进行工作。建议使用电机线圈电流(motor coil current)作为电流源。这样，将从组件去掉配线连接器(wiring connector)。为了将线圈电流通到所述轴加热元件，建议使用反向调节器(reverse governor)。当所述轴不旋转时，反向调节器将将电机电流引线(motor current lead)连接到所述轴加热元件引线(shaft heatingelement lead)。当所述轴开始旋转时，反向调节器将断开连接。

附图说明

图1是用于机动车的燃料电池装置的实施例的示意图；

图2是电动泵的截面示意图；

图3是图2的电动泵的一部分的分解装配图；

图4是图2的电动泵的另一截面示意图。

具体实施方式

现在，参照图1，汽车燃料电池装置10的实施例包括：氢罐12、压力调节器14、燃料电池堆16和电动泵18。当然，其它实施例可具有不同的布置和/或构造(例如，用于家用发电的固定燃料电池)，并且在不同的环境下被实现。

氢气(由箭头表示)从氢罐12通过压力调节器14流到燃料电池堆16。氢气与氧(未显示)在燃料电池堆16中反应，以产生电能。该反应还产生水蒸气。在特定的质子交换膜(PEM)技术中，氮气通过PEM横穿阴极到达阳极。这就稀释了阳极处氢的浓度。为了保持适当浓度的氢，气体混合物通过由电动泵18的径向流动叶轮22驱动的再循环回路20离开燃料电池堆16，并被再循环。在其它实施例中，叶轮22可作为涡轮，例如，如果流体的流动使叶轮22旋转，则产生出电能。

水蒸气也可离开燃料电池堆16，并进入再循环回路20。在一些实施例中，水分离器(未显示)和放气阀(purge valve，未显示)可设置在再循环回路20中，以便于除去一些水蒸气。如果燃料电池装置10在冷的环境中无效，则水蒸气在电动泵18中会液化并冻结，阻止叶轮22运动。在特定的现有技术的装置中，加热器(未显示)与电动泵18分离，用于熔化可在电动泵18中形成的冰。

参照图2，电能被供应到电机26的定子线圈24，以产生电磁场。定子线圈24与电动泵18的壳体28固定地附着。该电磁场使转子30相对于定子线圈24旋转。空心轴32与转子30固定地附着。叶轮22与空心轴32固定地附着(例如，压配合)。在图2的实施例中，轴环34和帽35固定地附着(例如，压配合)到空心轴32的与叶轮22相对的端部上。在旋转的同时，空心轴32和轴环34被可旋转地支撑在安装在壳体28中的轴承36和38上。

导电环40可与定子线圈24电连接，从而被供应到定子线圈24上的电流可流过该环40。在图2的实施例中，电引线42电连接定子线圈24和导电环40。然而，可以使用任何适合的电连接。

导电板44可经设置在该导电板44上的键46和设置在空心轴32上的键槽48与空心轴32驱动地接合，并在空心轴32的轴向上是自由的。因此，导电板44相对于空心轴32可轴向运动。在其它实施例中，键46可设置在轴32上，键槽48可设置在导电板44上。还可设置在圆周方向上隔开的多个键46和多个键槽48。当然，其它构造和布置也是可行的。

加热元件50设置在空心轴32的通路52中。当加热元件50被启动时，加热元件50加热空心轴32，以例如融化形成在空心轴32的外部的任何冰。此外，热被传递到叶轮22(例如，铝材料)上，还可融化叶轮轮廓和周围壳体之间的任何冰障。

空心轴32包括与导电板44相邻的孔54，加热元件50的端部56穿过该孔54。端部56终止在至少部分被空心轴32的外部承载的电接触件58(例如，导电片)处。电接触件58和导电板44可布置成彼此接触，以使电流可以从导电板44流到电接触件58。

现在，参照图2和图3，四个调速器60围绕导电板44按照大约90°的间隔布置。然而，在其它实施例中，可以使用任意合适数量的调速器60。例如，三个调速器可围绕导电板44按照大约120°的间隔布置。因为导电板44旋转，所以可以希望调速器60围绕导电板44近似隔开相等的距离以使振动最小化。然而，调速器60可以按照希望被隔开。

如以下所述，调速器60可以基于空心轴32的旋转速度使导电板44相对于空心轴32运动，以选择性地将定子线圈24和加热元件50电连接。然而，在其它实施例中，与定子线圈24和加热元件50电连接的开关可用于代替如上所述构造的导电板44/调速器60。例如，控制器和传感器(未显示)可监控空心轴32的旋转速度，如果旋转速度小于阈值的旋转速度，则命令开关断开。如果旋转速度大于或者等于阈值旋转速度，则控制器和传感器(未显示)可命令开关连通。当然，其它构造和布置是可行的。

图2和图3中的调速器60每个包括在调速器轴64的端部的配重件62，这对普通技术人员是显而易见的。每个调速器轴64安装在与导电板44机械附着的调速器壳体66中(并且可相对于调速器壳体66运动)。在调速器壳体66的每个中的弹簧(未显示)使一个调速器轴64弹性地偏向与壳体28固定地附着的制动轴环68。也就是说，如果导电板44不运动，则配重件62将靠在制动轴环68上(如图2中的实线所示)。以下，将更加详细地解释，如果导电板44达到阈值旋转速度，则配重件62远离制动轴环68运动(如图2中的虚线所示)。

螺旋弹簧70的一端位于形成在导电板44的与调速器60相邻的一侧上的凹处72中。弹簧70的另一端位于与轴环34固定地附着(例如，螺纹连接、粘结等)的弹性轴环74中。图2的弹性轴环74包括由弹簧70围绕的引导部分75和保持弹簧70的另一端的安置部分76。

在图2的实施例中，弹簧70使导电板44偏置向导电环40。弹簧70具有抵制压缩的趋势。在其它实施例中，弹簧70可位于电机26和导电板44之间(因此，具有抵制压缩的趋势)。在这些其它实施例中，弹性轴环74可与转子30和位于弹性轴环74中的弹簧70固定地附着。或者，弹簧70可依靠空心轴32。其它布置也是可行的。

配重件62可在其上行进的斜坡表面77通过斜坡元件78设置。在图2的实施例中，斜坡元件78包括与壳体28固定地附着(例如螺纹连接)的板。斜坡表面77通过板78中的斜切的孔形成。在其它实施例中，斜坡元件78可采用任意适合的形状和/或构造。

如上所述，水蒸气会围绕空心轴32液化并冻结，因此，例如，如果图1中示出的装置10在冻结条件下无效，则阻止其运动。如果装置10重新启动，则供应到定子线圈24上的电流将流过电引线42、导电环40、导电板44和电接触件58，以给予加热元件50电压(即使空心轴32在适当的位置(in place)处于冷冻状态)。加热元件50将融化空心轴32周围的任何冰，以使其自由运动。随着空心轴32开始旋转，通过键连接到空心轴32上的导电板44也将旋转。随着导电板44旋转，配重件62将开始远离轴环68运动，一旦导电板44达到阈值旋转速度，则配重件62与斜坡表面77接触。

例如，阈值旋转速度会受到调速器60的数量、配重件62的质量和调速器轴64的长度的影响，通过适当的运动等式，这些对于普通技术人员是显而易见的。在图2的实施例中，阈值旋转速度是空心轴32的最大旋转速度的大约5％。其它实施例的阈值旋转速度可以不同，并且受到设计和/或封装条件控制。

现在，参照图4，随着导电板44的旋转速度持续增加，由旋转配重件62产生的力将允许配重件62“爬”到斜坡表面77上(因此，克服了弹簧70的偏置力)，并使导电板44运动远离导电环40。一旦导电板44与导电环40不再接触，则定子线圈24和加热元件50之间的电连接将断掉。导电板44可继续远离导电环40行进，直到导电板44与斜坡元件78接触。在其它实施例中，弹簧70(或者其它合适的机构/元件)的硬度可用于限制导电板44的行进。

例如，如果电动泵18失效或者空心轴32的旋转速度小于阈值旋转速度，则导电板44将返回图2中示出的位置。

虽然已经示出并描述了本实用新型的实施例，但是这些实施例不意图示出并描述本实用新型的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性的词语，而非限制性的词语，应该理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种修改。

Claims

1.一种用于包括燃料电池堆的汽车燃料电池的旋转动能传递装置，其特征在于，所述装置包括：

叶轮和涡轮中的一种，与燃料电池堆流体连通；

电机，包括定子线圈；

轴，可操作地与所述叶轮和涡轮中的一种结合；

加热元件，设置在所述轴中，并被构造成与所述定子线圈选择性地电结合。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热元件配置成与所述定子线圈电结合。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热元件配置成与所述定子线圈电分离。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括机械调速器组件，所述机械调速器组件可操作地与所述轴结合，并被构造成如果所述轴以阈值速度或者大于阈值速度的速度旋转，则所述机械调速器组件使所述加热元件与定子线圈电分离。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述机械调速器组件包括导电构件，其特征在于，所述加热元件和定子线圈经该导电构件选择性地电结合。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述机械调速器组件配置成相对于所述轴沿轴向运动。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导电构件包括导电板。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述轴包括凹槽，导电构件包括凸榫，如果导电构件相对于所述轴运动，则所述凸榫在所述凹槽中运动。

9.一种用于机动车辆的包括定子线圈的旋转动能传递装置，其特征在于，所述装置包括：

叶轮和涡轮中的一种；

旋转构件，与所述叶轮和涡轮中的一种机械地结合，并包括用于对所述旋转构件加热的加热元件；

机械调速器组件，被构造成基于旋转构件的旋转速度选择性地将所述加热元件和定子线圈电结合。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述机械调速器组件包括具有导电部分的导电构件，其中，所述机械调速器组件经导电部分将加热元件和定子线圈选择性地电连接。