CN216056622U - 空压机用双冷却单元、空压机及氢燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种空压机用双冷却单元、空压机及氢燃料电池系统，属于燃料电池技术领域，空压机用双冷却单元包括电机壳体，电机壳体具有相对的进气口和出气口，进气口和出气口之间连通有风冷通道；电机壳体还具有相对的进水口和出水口，进水口和出水口之间连通有水冷通道，水冷通道自进水口至出水口的流通截面面积呈增大趋势。当温度较低的冷却水自进水口至出水口流通散热时，在流通路径上能够渐渐地增大接触面积和流通量，减少冷却水在流经一段距离后温度变高无法对邻近出水口的零件进行有效散热的情况，提高水冷通道的散热均匀性和有效性；同时，风冷通道和水冷通道能够同时对内部转子、轴承等零件进行快速散热，提高散热能力。

Description

空压机用双冷却单元、空压机及氢燃料电池系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种空压机用双冷却单元、空压机及氢燃料电池系统。

背景技术

氢燃料电池以氢气和空气(空气中的氧气)为燃料，发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的装置，反应生成水，兼备无污染、适用范围广、效率高等特点。研究表明，高压、大流量的空气供应对提高氢燃料电池的发电功率具有明显的提升作用。为此，在空气进入氢燃料电池之前，需要通过空压机(全称为空气压缩机)对空气进行增压。

空压机一般采用电机直驱的方式，将电机转子和主轴做成一体化结构，在主轴上设置叶轮，将叶轮设于蜗壳内，在主轴高速旋转的作用下，叶轮带动气体高速旋转，与蜗壳相互作用产生高压、大流量的空气。由于高速旋转会导致空压机内部产生大量的热量，故为了保证空压机正常运转，需要及时地为空压机散热。

传统的空压机一般采用风冷和水冷的方式同时对内部的电机转子、轴承等零件进行散热，但传统的水冷方式在整个水冷通道内的冷却效果不够均匀。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种空压机用双冷却单元、空压机及氢燃料电池系统，旨在解决传统的水冷方式在整个水冷通道内的冷却效果不够均匀的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

在第一方面，本实用新型提供一种空压机用双冷却单元，包括电机壳体，所述电机壳体具有相对的进气口和出气口，所述进气口和所述出气口之间连通有风冷通道；所述电机壳体还具有相对的进水口和出水口，所述进水口和所述出水口之间连通有水冷通道，所述水冷通道自所述进水口至所述出水口的流通截面面积呈增大趋势。

在一种可能的实现方式中，所述水冷通道具有邻近所述进水口的进端通道，以及与所述进端通道、所述出水口连通的后端通道，所述后端通道的流通截面面积呈增大趋势，所述后端通道邻近所述进端通道一端的流通截面面积小于所述进端通道的流通截面面积。

在一种可能的实现方式中，在平行于所述电机壳体的轴线方向上，所述电机壳体具有与所述水冷通道厚度范围至少部分对应的避让部，所述避让部设有至少部分的所述风冷通道，所述水冷通道以所述避让部为分界线，呈连贯的蜿蜒曲折状。

在一种可能的实现方式中，所述水冷通道以所述避让部为分界线形成有若干个曲折段，每个所述曲折段的中心线均与所述电机壳体的轴线方向垂直。

在一种可能的实现方式中，所述进气口和所述出气口的中心连线、所述进水口和所述出水口的中心连线均平行于所述电机壳体的轴线方向。

本实用新型提供的空压机用双冷却单元至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本实用新型提供的空压机用双冷却单元，在电机壳体上设有进水口、出水口和水冷通道，水冷通道自进水口至出水口的流通截面面积呈增大趋势，当温度较低的冷却水自进水口至出水口流通散热时，在流通路径上能够渐渐地增大接触面积和流通量，减少冷却水在流经一段距离后温度变高无法对邻近出水口的零件进行有效散热的情况，提高水冷通道的散热均匀性和有效性；同时，风冷通道和水冷通道能够同时对内部转子、轴承等零件进行快速散热，提高散热能力。

在第二方面，本实用新型还提供一种空压机，包括：如上任一实施例所述的空压机用双冷却单元；驱动电机，设于所述电机壳体内；以及空压轮系，与所述驱动电机配合。

在一种可能的实现方式中，所述驱动电机采用永磁电机，所述空压轮系至少包括设于所述永磁电机轴向两端的压端叶轮和涡端涡轮，所述水冷通道的流通截面面积自所述压端叶轮至所述涡端涡轮呈增大趋势。

在一种可能的实现方式中，所述空压轮系还包括与所述电机壳体两端分别配合的压端蜗壳和涡端蜗壳，所述压端蜗壳具有相对的压端进口和压端出口，所述涡端蜗壳具有相对的涡端进口和涡端出口，所述压端进口、所述压端出口、所述涡端进口和所述涡端出口彼此独立。

在一种可能的实现方式中，所述空压轮系还包括与所述压端叶轮、所述永磁电机均配合的第一安装座，以及与所述涡端涡轮、所述永磁电机均配合的第二安装座；所述风冷通道为贯穿所述电机壳体且与所述进气口连通的轴向通道，所述第一安装座具有与所述轴向通道连通的第一径向通道，所述第二安装座具有与所述轴向通道连通的第二径向通道，所述永磁电机的定子和转子以及所述电机壳体共同形成与所述第一径向通道和所述第二径向通道均连通的出风通道，所述出风通道与所述出气口连通。

本实用新型提供的空压机采用如上任一实施例所述的空压机用双冷却单元，二者技术效果相同，在此不再赘述。

在第三方面，本实用新型还提供一种氢燃料电池系统，包括如上任一实施例所述的空压机。

本实用新型提供的氢燃料电池系统采用如上任一实施例所述的空压机，二者技术效果相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型一实施例提供的空压机用双冷却单元的剖视示意图；

图2为图1所示空压机用双冷却单元的另一角度剖视示意图；

图3为图1所示空压机用双冷却单元的外形示意图；

图4为图3所示空压机用双冷却单元在径向上的剖视示意图；

图5为本实用新型一实施例中水冷通道实体化的结构示意图；

图6为图5所示水冷通道在轴线方向上的结构示意图；

图7为图5所示水冷通道在轴线方向上的另一角度结构示意图；

图8为本实用新型一实施例提供的空压机的剖视示意图；

图9为图8所示空压机的另一角度剖视示意图；

图10为图8所示空压机的外形示意图；

图11为本实用新型一实施例提供的氢燃料电池系统的示意图。

图中附图标记为：

1、空压机用双冷却单元 100、电机壳体 110、进气口

120、出气口 130、风冷通道 140、进水口

150、出水口 160、水冷通道 161、进端通道

162、后端通道 163、曲折段 170、避让部

2、空压机 200、驱动电机 210、定子

220、转子 300、空压轮系 310、压端叶轮

320、涡端涡轮 330、压端蜗壳 331、压端进口

332、压端出口 340、涡端蜗壳 341、涡端进口

342、涡端出口 350、第一安装座 351、压端径向轴承座

352、压端密封座 353、第一径向通道 360、第二安装座

361、涡端径向轴承座 362、涡端止推轴承座 363、涡端密封座

364、第二径向通道 230、出风通道 3、氢燃料电池系统

400、电池本体

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。“若干个”指一个及以上数量。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

请一并参阅图1至图11，现对本实用新型实施例提供的空压机用双冷却单元1、空压机2及氢燃料电池系统3进行说明。

请参阅图1至图7，本实用新型实施例提供了一种空压机用双冷却单元1，包括电机壳体100，电机壳体100具有相对的进气口110和出气口120，进气口110和出气口120之间连通有风冷通道130；电机壳体100还具有相对的进水口140和出水口150，进水口140和出水口150之间连通有水冷通道160，水冷通道160自进水口140至出水口150的流通截面面积呈增大趋势。

需要说明的是，本实用新型实施例所提供的空压机用双冷却单元1可以应用于单级、两级、三级等以上数量的空压机2类型中，对此不做限制。可以理解的是，附图5、附图6和附图7为水冷通道160的实体化结构示意图，以便于理解。

具体而言，如图8和图9所示，电机壳体100用来容置定子210、转子220、轴承座、密封座、推力盘等零件，并且与蜗壳相配合连接。在电机壳体100的壁厚方向开设有相对的进气口110和出气口120，进气口110和出气口120之间连通有风冷通道130，风冷通道130的整体延伸方向平行于电机壳体100的轴线方向。可以理解的是，风冷通道130为开设在电机壳体100上的通道，可以与空压机2的轴承座、密封座等形成出风路径，也可以仅仅是电机壳体100上的出风路径。可以理解的是，电机壳体100上可以开设有一个、两个、三个等以上数量的排气通道，该排气通道与电机壳体100的内部空间连通，与出气口120连通，且与风冷通道130分隔设置。

在电机壳体100的壁厚方向开设有相对的进水口140和出水口150，进水口140和出水口150之间连通有水冷通道160，水冷通道160的整体延伸方向平行于电机壳体100的轴线方向。

传统的水冷通道大都采用流通截面面积大致相同或完全相同的方式，发明人在实际应用中发现，在进行水冷散热时，冷却水起始温度较低，在流动一段距离后温度较高，无法对后面的零件进行有效地降温，导致散热效果较差。

为此，本实用新型实施例中，将水冷通道160的流通截面面积设置为自进水口140至出水口150呈增大趋势，能够有效地对后面的零件进行降温散热。可以理解的是，水冷通道160的流通截面的形状可以相同，也可以不同，可以根据实际的尺寸和零件关系进行设置，具体形状可以是矩形、圆形等规则或不规则形状。水冷通道160的流通截面面积可以是逐渐增大的，也可以是阶梯式增大的，还可以是存在起伏波动但整体呈增大趋势的，对此不做限制，可以根据实际的尺寸、零件关系及散热要求等进行设置。

本实用新型实施例提供的空压机用双冷却单元1至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本实用新型实施例提供的空压机用双冷却单元1，在电机壳体100上设有进水口140、出水口150和水冷通道160，水冷通道160自进水口140至出水口150的流通截面面积呈增大趋势，当温度较低的冷却水自进水口140至出水口150流通散热时，在流通路径上能够渐渐地增大接触面积和流通量，减少冷却水在流经一段距离后温度变高无法对邻近出水口150的零件进行有效散热的情况，提高水冷通道160的散热均匀性和有效性；同时，风冷通道130和水冷通道160能够同时对内部转子220、轴承等零件进行快速散热，提高散热能力。

请参阅图5至图7，在一些可能的实施例中，水冷通道160具有邻近进水口140的进端通道161，以及与进端通道161、出水口150连通的后端通道162，后端通道162的流通截面面积呈增大趋势，后端通道162邻近进端通道161一端的流通截面面积小于进端通道161的流通截面面积。

具体而言，后端通道162的流通截面面积自进端通道161至出水口150呈增大趋势。在邻近进水口140的位置设置流通截面面积大于后端通道162起始端的进端通道161，能够缓冲冷却水的冲击力，并且，加快冷却水的流动速度，避免在进水口140处出现阻塞情况。

当然，可以理解的是，进端通道161的流通截面面积可以大于后端通道162的终止端，也可以小于后端通道162的终止端。

请参阅图1、图5至图7，在一些可能的实施例中，在平行于电机壳体100的轴线方向上，电机壳体100具有与水冷通道160厚度范围至少部分对应的避让部170，避让部170设有至少部分的风冷通道130，水冷通道160以避让部170为分界线，呈连贯的蜿蜒曲折状。

具体而言，请继续参阅图8，避让部170的覆盖厚度范围与水冷通道160的覆盖厚度范围存在重叠，避让部170可以用来设置至少部分的风冷通道130。水冷通道160以避让部170为轴线方向的分界线，呈连贯的蜿蜒曲折状，即以一条龙的方式弯折地覆盖在避让部170以外的周向轮廓上，从而既能够实现水冷设计，又能够实现风冷设计。

请参阅图5至图7，在其中一个实施例中，水冷通道160以避让部170为分界线形成有若干个曲折段163，每个曲折段163的中心线均与电机壳体100的轴线方向垂直。可以理解的是，相邻的两个曲折段163的流通截面面积可能相同，也可能不同，但整体呈增大趋势，相邻的两个曲折段163之间以平行于轴线方向的直线段连通过渡。如此设置，可以便于生产加工，也能够获得更均匀的散热效果。

此外，曲折段163的中心线可以理解为是将曲折段163在电机壳体100的轴线方向平分其主体的线，曲折段163邻近避让部170的两侧可以不是对称的，但两侧之间的主体部分是对称的。

当然，在其他一些实施例中，每个曲折段163的中心线可以与电机壳体100的轴线方向呈倾斜角度设置，也可以倾斜角度和垂直同时存在的，对此不作限制。

与上述实施例水冷通道160的形状不同，在其他一些可能的实施例中，水冷通道160绕电机壳体100的轴线方向呈螺旋状。具体而言，水冷通道160以一条龙的方式绕设覆盖在电机壳体100的周向轮廓上，此时，需要注意的是，当风冷设计存在时，风冷通道130的覆盖厚度范围与水冷通道160的覆盖厚度范围不存在重叠关系。

请参阅图1至图3，在一些可能的实施例中，进气口110和出气口120的中心连线、进水口140和出水口150的中心连线均平行于电机壳体100的轴线方向。本实施例中，在空压机2整机安装中，进气口110和出气口120会配置有专门的进气接头和出气接头，进水口140和出水口150会配置有专门的进水接头和出水接头，并且，空压机2的安装位置一般不可改变，且安装空间相对较为紧凑，为了避免进气口110和出气口120位置错位太多、进水口140和出水口150位置错位太多导致的空压机2难安装问题，因此，将进气口110和出气口120、进水口140和出水口150在电机壳体100的周向轮廓位置设置为大致对齐或完全对齐的位置。

基于同一发明构思，请参阅图8至图10，本实用新型实施例还提供了一种空压机2，包括：如上任一实施例所述的空压机用双冷却单元1；驱动电机200，设于电机壳体100内；以及空压轮系300，与驱动电机200配合。

需要说明的是，本实用新型实施例所提供的空压机2可以采用水冷设计和风冷设计同时存在的方式。驱动电机200可以采用定子210和电机壳体100一体式的，也可以采用定子210和电机壳体100分体式的，电机类型也不做限制，空压轮系300可以是单级、两级、三级等以上数量，还可以包括用于能量回收的透平设计。

本实用新型实施例提供的空压机2采用如上任一实施例所述的空压机用双冷却单元1，在电机壳体100上设有进水口140、出水口150和水冷通道160，水冷通道160自进水口140至出水口150的流通截面面积呈增大趋势，当温度较低的冷却水自进水口140至出水口150流通散热时，在流通路径上能够渐渐地增大接触面积和流通量，减少冷却水在流经一段距离后温度变高无法对邻近出水口150的零件进行有效散热的情况，提高水冷通道160的散热均匀性和有效性；同时，风冷通道130和水冷通道160能够同时对内部转子220、轴承等零件进行快速散热，提高散热能力。

传统的燃料电池用离心空压机驱动力获取均为直驱电机提供，且电能为燃料电池反应的电能提供，这样就会导致实际应用到车辆驱动的电能减少，同时电堆反应后的带有热能和动能的气体通常是直接外排大气，造成能量的再次浪费，因此，需通过提高空压机能效比，降低空压机功耗，同时通过合理的结构将外排气体进行回收，进一步降低能耗。

为此，发明人结合市场需求，研发出带有能量回收功能的空气悬浮永磁直驱离心式空压机，包括压力端(执行端)和涡轮端(能量回收)，采用单级压缩的方式，设计高效率叶轮及永磁电机并通过提高转速(100000-160000转/分钟)，使得通过一级压缩就可获得高压比、大流量的压缩空气，省去了级间管道，消除了传统两级增压的压损，优化了气动通道，涡轮端可以保证在额定点提供回收气体，降低整体功耗，提升电堆效率，该机型大约可以实现10％-30％的能量回收。

具体而言，驱动电机200采用永磁电机，空压轮系300至少包括设于永磁电机轴向两端的压端叶轮310和涡端涡轮320，水冷通道160的流通截面面积自压端叶轮310至涡端涡轮320呈增大趋势。如此设置，可以对应实现上述技术效果。

请参阅图8至图10，在一个具体的实施例中，空压轮系300还包括与电机壳体100两端分别配合的压端蜗壳330和涡端蜗壳340，压端蜗壳330具有相对的压端进口331和压端出口332，涡端蜗壳340具有相对的涡端进口341和涡端出口342，且压端进口331、压端出口332、涡端进口341和涡端出口342彼此独立。其中，压端蜗壳330与压端叶轮310配合，涡端蜗壳340与涡端涡轮320配合。压端进口331、压端出口332、涡端进口341和涡端出口342彼此独立，能够保证压力端和涡轮端之间没有连通管道，减少了增压和透平之间的压损，优化了气动通道。

请参阅图8，在一个具体的实施例中，空压轮系300还包括与压端叶轮310、永磁电机均配合的第一安装座350，以及与涡端涡轮320、永磁电机均配合的第二安装座360；风冷通道130为贯穿电机壳体100且与进气口110连通的轴向通道，第一安装座350具有与轴向通道连通的第一径向通道353，第二安装座360具有与轴向通道连通的第二径向通道364，永磁电机的定子210和转子220以及电机壳体100共同形成与第一径向通道353和第二径向通道364均连通的出风通道230，出风通道230与出气口120连通。

具体而言，第一安装座350可以是压端径向轴承座351和压端密封座352的组合，并不局限于此，第一径向通道353在二者的周向范围内通过开槽、开孔等形成连通关系，第一径向通道353并非要求是绝对的径向，可以是大致径向的，也可以是倾斜的，并且该第一径向通道353为覆盖一圈的。第二安装座360可以是涡端径向轴承座361和涡端密封座363的组合，还可以是涡端径向轴承座361、涡端止推轴承座362和涡端密封座363的组合，并不局限于此，第二径向通道364在二者的周向范围内通过开槽、开孔等形成连通关系，第二径向通道364并非要求是绝对的径向，可以是大致径向的，也可以是倾斜的，并且该第二径向通道364为覆盖一圈的。

第一径向通道353和轴向通道通过在第一安装座350开槽、开孔等实现连通关系，第二径向通道364和轴向通道通过在第二安装座360开槽、开孔等实现连通关系。定子210和转子220之间形成与第一径向通道353和第二径向通道364均连通的出风通道230，出风通道230可以呈折弯状，与出气口120连通，构成轴向通道向第一径向通道353、第二径向通道364的双向出风方式。如此设置，可以实现风冷设计。

当然，在其他实施例中，还可以是其他方式的风冷设计。

基于同一发明构思，请参阅图11，本实用新型实施例还提供了一种氢燃料电池系统3，包括如上任一实施例所述的空压机2。可以理解的是，本实用新型实施例所提供的氢燃料电池系统3还包括与空压机2连通的电池本体400，以及其他实现氢燃料电池发电的配套构件。

本实用新型实施例提供的氢燃料电池系统3采用如上任一实施例所述的空压机2，二者技术效果相同，在此不再赘述。

可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本实用新型说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.空压机用双冷却单元，其特征在于，包括电机壳体，所述电机壳体具有相对的进气口和出气口，所述进气口和所述出气口之间连通有风冷通道；

所述电机壳体还具有相对的进水口和出水口，所述进水口和所述出水口之间连通有水冷通道，所述水冷通道自所述进水口至所述出水口的流通截面面积呈增大趋势。

2.如权利要求1所述的空压机用双冷却单元，其特征在于，所述水冷通道具有邻近所述进水口的进端通道，以及与所述进端通道、所述出水口连通的后端通道，所述后端通道的流通截面面积呈增大趋势，所述后端通道邻近所述进端通道一端的流通截面面积小于所述进端通道的流通截面面积。

3.如权利要求1所述的空压机用双冷却单元，其特征在于，在平行于所述电机壳体的轴线方向上，所述电机壳体具有与所述水冷通道厚度范围至少部分对应的避让部，所述避让部设有至少部分的所述风冷通道，所述水冷通道以所述避让部为分界线，呈连贯的蜿蜒曲折状。

4.如权利要求3所述的空压机用双冷却单元，其特征在于，所述水冷通道以所述避让部为分界线形成有若干个曲折段，每个所述曲折段的中心线均与所述电机壳体的轴线方向垂直。

5.如权利要求1所述的空压机用双冷却单元，其特征在于，所述进气口和所述出气口的中心连线、所述进水口和所述出水口的中心连线均平行于所述电机壳体的轴线方向。

6.空压机，其特征在于，包括：

如权利要求1至5任一项所述的空压机用双冷却单元；

驱动电机，设于所述电机壳体内；以及

空压轮系，与所述驱动电机配合。

7.如权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述驱动电机采用永磁电机，所述空压轮系至少包括设于所述永磁电机轴向两端的压端叶轮和涡端涡轮，所述水冷通道的流通截面面积自所述压端叶轮至所述涡端涡轮呈增大趋势。

8.如权利要求7所述的空压机，其特征在于，所述空压轮系还包括与所述电机壳体两端分别配合的压端蜗壳和涡端蜗壳，所述压端蜗壳具有相对的压端进口和压端出口，所述涡端蜗壳具有相对的涡端进口和涡端出口，所述压端进口、所述压端出口、所述涡端进口和所述涡端出口彼此独立。

9.如权利要求7所述的空压机，其特征在于，所述空压轮系还包括与所述压端叶轮、所述永磁电机均配合的第一安装座，以及与所述涡端涡轮、所述永磁电机均配合的第二安装座；

所述风冷通道为贯穿所述电机壳体且与所述进气口连通的轴向通道，所述第一安装座具有与所述轴向通道连通的第一径向通道，所述第二安装座具有与所述轴向通道连通的第二径向通道，所述永磁电机的定子和转子以及所述电机壳体共同形成与所述第一径向通道和所述第二径向通道均连通的出风通道，所述出风通道与所述出气口连通。

10.氢燃料电池系统，其特征在于，包括：如权利要求6至9任一项所述的空压机。

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