CN112780583B - 一种燃料电池电堆及两级离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆及两级离心式压缩机，其中，两级离心式压缩机包括电机、一级压缩机和二级压缩机。将进入一级压缩机的压缩空气直接引入U型冷却通道，U型冷却通道内的空气被壳体上的水冷装置冷却，然后空气进入环形空腔内，接着分流，一路空气通过第一空腔经过推力轴承、第一径向气浮轴承进入定子与转子之间的空间，另一路空气通过前端盖的第三通孔进入电机的壳体与定子之间的空间，两路空气合并后通过定子与转子之间的空隙，对转子进行冷却，能够对电机的内部进行冷却，冷却效果更好；另外，U型冷却通道内的空气温度低，能够尽可能多的带走定子与转子上的热量，实现对供气装置的有效散热。

Description

一种燃料电池电堆及两级离心式压缩机

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆及两级离心式压缩机。

背景技术

压缩机的转速高，在运转时会产生大量的热，散热成为压缩机必须考虑的问题。

现有技术中公开了一种两级离心式压缩机，包括一级压缩机、电机和二级压缩机，一级压缩机的第一蜗壳的出口和二级压缩机的第二蜗壳的进口之间设置有中间管路，中间管路上设置第一冷气接头，两级离心式压缩机的壳体靠近第一蜗壳的上端设置第二冷气接头，两级离心式压缩机的壳体下端设置第三冷气接头，第一冷气接头和第二冷气接头通过管路连通。冷却时，向第一冷气接头和第二冷气接头内供入冷空气，空气依次经过两级离心式压缩机的壳体内的冷却通道、电机右侧的径向轴承与转子之间的间隙、电机的定子分别与两级离心式压缩机的壳体和电机的转子之间的间隙和电机左侧的径向轴承与转子之间的间隙等，最后通过第三冷气接头排出。现有技术中从中间管道引入压缩空气进入两级离心式压缩机的壳体内，对电机、转子和轴承进行冷却。

但是现有技术中公开的两级离心式压缩机的冷却方式，是将一级压缩机排出的空气引入两级离心式压缩机的壳体内，一级压缩机排出的压缩空气的温度较高，对两级离心式压缩机内部的散热效果不是很好。

因此，如何实现两级离心式压缩机的有效散热，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种两级离心式压缩机，以实现两级离心式压缩机的有效散热。本发明还提供了一种燃料电池电堆。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种两级离心式压缩机，包括电机、一级压缩机和二级压缩机，

所述一级压缩机的一级扩压器上开设有第一通孔，所述第一通孔沿所述一级扩压器的轴线方向开设；

所述电机的前端盖上开设有与所述第一通孔连通的第二通孔，所述第二通孔沿所述前端盖的轴线方向开设；

所述电机的壳体内开设有U型冷却通道，所述U型冷却通道沿所述壳体的轴线方向开设，所述U型冷却通道的其中一条直线通道与所述第二通孔连通；

所述一级压缩机的一级蜗壳与所述电机的壳体相对的一侧、所述电机的壳体与所述一级蜗壳相对的一侧、所述电机的前端盖的外周和所述一级扩压器的外周构成环形空腔，所述环形空腔与所述U型冷却通道的另一条所述直线通道连通；

所述前端盖与所述一级压缩机的一级扩压器相对的一侧开设有第一环形凹槽，所述第一环形凹槽与所述前端盖配合形成用于安装推力盘和推力轴承的第一空腔，所述前端盖上开设有用于连通所述环形空腔与所述第一空腔的凹槽，所述第一空腔通过所述电机的转子和所述前端盖之间的第一径向气浮轴承与所述转子和所述电机的定子之间的间隙连通，用于向所述转子与所述定子之间的间隙供入冷却空气；

所述二级压缩机的二级扩压器与所述电机的后端盖相对的一侧设置有第二环形凹槽，所述后端盖与所述二级扩压器相对的一侧设置有第三环形凹槽，所述第二环形凹槽与所述第三环形凹槽连通，所述第二环形凹槽与所述第三环形凹槽组成的第二空腔，所述第二空腔通过所述转子与所述后端盖之间的第二径向气浮轴承与所述定子和所述转子之间的间隙连通，用于将冷却后的空气排入所述第二空腔，所述第二空腔与所述电机的壳体的出气口连通。

优选的，在上述两级离心式压缩机中，所述前端盖对应所述定子的绕组端部的位置开设有第三通孔，所述第三通孔与所述第一空腔连通，

所述后端盖对应所述定子的绕组端部的位置开设有第四通孔，所述第四通孔与所述第二空腔连通。

优选的，在上述两级离心式压缩机中，所述U型冷却通道与所述壳体一体成型。

优选的，在上述两级离心式压缩机中，所述U型冷却通道的封闭端距离所述后端盖的距离为30-50mm。

优选的，在上述两级离心式压缩机中，所述U型冷却通道的个数为一个或者多个，且沿着所述壳体的周向分布，所述U型冷却通道的个数与所述第二通孔的个数相等。

优选的，在上述两级离心式压缩机中，所述U型冷却通道相对于所述壳体的水冷通道靠近所述壳体的轴线。

优选的，在上述两级离心式压缩机中，所述壳体内开设有与所述第二空腔连通的排气通道，所述排气通道沿所述壳体的轴线方向设置，所述壳体设置有与所述排气通道连通的出气口，所述出气口沿垂直于所述壳体的轴线方向设置。

优选的，在上述两级离心式压缩机中，所述排气通道的长度为10-15mm。

一种燃料电池电堆，包括供气装置，所述供气装置为两级离心式压缩机，所述两级离心式压缩机为上述任意一个方案中记载的两级离心式压缩机。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的两级离心式压缩机，包括电机、一级压缩机和二级压缩机。将进入一级压缩机的扩压区的压缩空气直接引入电机壳体的U型冷却通道，U型冷却通道内的空气被壳体上的水冷装置进行冷却，然后空气进入一级蜗壳、壳体、前端盖以及扩压器组成的环形空腔内，接着分流，一路空气通过第一空腔经过推力轴承、第一径向气浮轴承进入定子与转子之间的空间，另一路空气通过前端盖的第三通孔进入电机的壳体与定子之间的空间，两路空气合并后通过定子与转子之间的空隙，对转子进行冷却，相对于现有技术中仅对电机的壳体进行冷却的方式，能够对电机的内部进行冷却，同时相对于现有技术中通过一级压缩机的引出的空气对电机冷却的方式，冷却效果更好；另外，U型冷却通道内的空气能够被壳体上的水冷装置冷却，相对于现有技术中通过从中冷器接入冷却气体到电机内部对电机进行冷却的方式，空气的温度更低，能够尽可能多的带走定子与转子上的热量，实现对供气装置的有效散热。

本方案公开了一种燃料电池电堆，包括供气装置，供气装置为两级离心式压缩机，两级离心式压缩机为上述任意一个方案中记载的两级离心式压缩机。

由于两级离心式压缩机具有上述技术效果，具有该两级离心式压缩机的燃料电池电堆也具有同样的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的两级离心式压缩机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的两级离心式压缩机的气路图；

图3为本发明实施例提供的两级离心式压缩机的气路图；

图4为本发明实施例提供的前端盖的主视图；

图5为本发明实施例提供的前端盖的左视图；

图6为本发明实施例提供的壳体的结构示意图。

100、两级离心式压缩机，1、一级扩压器，11、第一通孔，2、前端盖，21、第二通孔，22、第三通孔，23、第一环形凹槽，24、凹槽，25、第五通孔，3、壳体，31、U型冷却通道，32、排气通道，4、一级蜗壳，5、环形空腔，6、转子，7、定子，8、后端盖，81、第四通孔，9、二级蜗壳，10、二级扩压器，12、第一径向气浮轴承，121、第二径向气浮轴承，13、推力轴承，14、推力盘，15、一级叶轮，16、进气口，17、二级叶轮。

具体实施方式

本发明公开了一种两级离心式压缩机，以实现两级离心式压缩机的有效散热。本发明还公开了一种燃料电池电堆。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6。

本发明公开了一种两级离心式压缩机100，包括电机、一级压缩机和二级压缩机。

如图1所述，一级压缩机包括一级蜗壳4、一级叶轮15和一级扩压器1，一级叶轮15固定安装在转子6上并位于一级蜗壳4和一级扩压器1之间。一级蜗壳4内具有一级增压腔，一级蜗壳4的中心设置有进气口16，一级蜗壳4的周向方向的侧壁上设置有出气口，空气自一级蜗壳4的进气口16进入，经过一级叶轮15后进入一级增压腔，并在一级扩压器1的作用下进一步增压，增压后的空气通过一级蜗壳4的出气口排出。

如图1所述，二级压缩机与一级压缩机的结构相同，包括二级蜗壳9、二级叶轮17和二级扩压器10，工作原理也相同。二级蜗壳9的进气口与一级蜗壳4的出气口通过管路连通，二级蜗壳9的出气口与燃料电池电堆的进气口连通。

如图1所示，电机包括壳体3、定子7和转子6。转子6与壳体3同轴布置，定子7安装在壳体3上。转子6由前端盖2、后端盖8上安装的第一径向气浮轴承12、第二径向气浮轴承121支撑。壳体3内设置有水冷通道构成的水冷装置，水冷通道沿着壳体3的周向螺旋开设，用于冷却电机的壳体3。

本方案对两级离心式压缩机100的冷却结构进行改进，实现对两级离心式压缩机100的有效散热。

本方案公开的冷却结构在电机的壳体3原有水冷装置的基础上，能够对电机的内部进行有效冷却。

具体的，一级压缩机的一级扩压器1上开设有第一通孔11，第一通孔11沿一级扩压器1的轴线方向开设，第一通孔11与一级压缩机的一级蜗壳4连通；

电机的前端盖2上开设有与第一通孔11连通的第二通孔21，第二通孔21沿前端盖2的轴线方向开设；

电机的壳体3内开设有U型冷却通道31，U型冷却通道31沿壳体3的轴线方向开设，U型冷却通道31靠近一级压缩机的一端为开放端，U型冷却通道31靠近二级压缩机的一端为封闭端，封闭端为弧形，U型冷却通道31包括两条直线通道和一条弧形通道，弧形通道的两端分别与两条直线通道连通，两条直线通道与壳体3的轴线平行，直线通道自一级压缩机向着二级压缩机延伸，U型冷却通道31的其中一条直线通道与第二通孔21连通；

一级压缩机的一级蜗壳4与电机的壳体3相对的一侧、电机的壳体3与一级蜗壳4相对的一侧、电机的前端盖2的外周和一级扩压器1的外周四者配合构成环形空腔5，环形空腔5与U型冷却通道31的另一条直线通道连通，此处需要说明的是，前端盖2上开设有用于使U型冷却通道31的另一条直线通道与环形空腔5连通的第五通孔25；

电机的前端盖2与一级压缩机的一级扩压器1相对的一侧开设有第一环形凹槽23，第一环形凹槽23的槽口朝向前端盖2，第一环形凹槽23与前端盖2配合形成第一空腔，用于安装推力盘14和推力轴承13，第一环形凹槽23的直径大于推力盘14的直径，前端盖2上开设有用于连通环形空腔5与第一空腔的凹槽24，第一空腔通过电机的转子6和前端盖2之间的第一径向气浮轴承12与转子6和电机的定子7之间的间隙连通，用于向转子6与定子7之间的间隙供入空气；

二级压缩机的二级扩压器10与电机的后端盖8相对的一侧设置有第二环形凹槽，后端盖8与二级扩压器10相对的一侧设置有第三环形凹槽，第二环形凹槽与第三环形凹槽连通，第二环形凹槽与第三环形凹槽组成的第二空腔，第二空腔通过转子6与后端盖之间的第二径向气浮轴承121与定子7和转子6之间的间隙连通，用于将冷却后的空气排入第二空腔，第二空腔与电机的壳体3上的出气口连通。

冷却时，空气在供气装置内的流动路径如下：

空气通过一级压缩机的入口进入一级压缩机，并在一级压缩机内进行第一次增压；

第一次加压后的空气依次通过一级压缩机的一级扩压器1的第一通孔11和电机的前端盖2的第二通孔21进入电机的壳体3的U型冷却通道31，壳体3的水冷装置对U型冷却通道31内的空气冷却；

冷却后的冷却空气进入环形空腔5内，环形空腔5内的空气通过前端盖2上的凹槽24进入第一空腔；

第一空腔内的冷却空气通过电机的转子6和前端盖2之间的第一径向气浮轴承12与转子6和电机的定子7之间的间隙连通，用于向转子6与定子7之间的间隙供入冷却空气，冷却空气沿着定子7与转子6之间的间隙运动；

然后对定子7和转子6进行冷却后的空气通过转子6和后密封盖之间的第二径向气浮轴承121进入第二空腔；

进入第二空腔内的空气通过电机的壳体3的出气口排出。

此处需要说明的是，水冷装置对通过第二通孔21进入U型冷却通道31的空气进行冷却，使对转子和定子进行冷却的空气温度低于中冷器的温度。

由于第二空腔沿着二级蜗壳9和二级扩压器10设置，空气能够同时带走二级压缩机工作时产生的热量。

本方案公开的两级离心式压缩机100的冷却结构，是将进入一级压缩机的空气直接引入电机壳体3的U型冷却通道31，U型冷却通道31内的空气被水冷装置冷却，然后空气进入一级蜗壳4、壳体3、前端盖2以及扩压器组成的环形空腔5内，接着通过第一空腔进入定子7与转子6之间的空间，对定子7和转子6进行冷却，相对于现有技术中仅对电机的壳体3进行冷却的方式，能够对电机的内部进行冷却，同时相对于现有技术中通过引入一级压缩机内的空气对电机冷却的方式，冷却效果更好；另外，U型冷却通道31内的空气能够被壳体3上的水冷装置冷却，相对于现有技术中通过从中冷器接入冷却气体到电机内部对电机进行冷却的方式，空气的温度更低，能够尽可能多的带走定子7与转子6上的热量，实现对供气装置的有效散热。

为了进一步增强对电机的冷却效果，本方案在前端盖2对应定子7的绕组端部的位置开设有第三通孔22，第三通孔22与第一空腔连通。也就是说，进入第一空腔的空气会分成两路，两路空气分别进入第三通孔22和第一径向气浮轴承12，通过第三通孔22进入壳体3内的空气会对定子7的绕组端部进行冷却，通过第一径向气浮轴承12的空气对定子7和转子6之间的位置进行冷却，而且进入定子7的绕组端部与壳体3之间的空气也会沿着定子7与转子6之间的间隙进入定子7的另一个绕组端部与壳体3之间的空间，对定子7的另一个绕组端部进行冷却。

后端盖对应定子7的绕组端部的位置开设有第四通孔81，第四通孔81与第二空腔连通，将进入定子7的另一个绕组端部与壳体3之间的空气排至第二空腔，最终通过与第二空腔连通的壳体3的出气口排出。

也就是说，无论是对定子7的绕组端部进行冷却的空气还是对定子7与转子6之间的间隙进行冷却的空气均会进入第二空腔，最终通过电机的壳体3的出气口排出。

冷却电机后的空气直接通过壳体3的出气口排出，简化了电机内空气出气通道的结构。

为了降低U型冷却通道31的加工难度，本方案中U型冷却通道31与壳体3一体成型。

本方案中电机与一级压缩机之间形成第一空腔，二级压缩机的二级扩压器10与后端盖8之间形成第二空腔，U型冷却通道31的封闭端不会伸入第二空腔，优选的，U型冷却通道31的封闭端与后端盖之间的距离为30-50mm。

在本方案的一个具体实施例中，U型冷却通道31的个数为多个，第一通孔11和第二通孔21的个数也为多个。多个U型冷却通道31沿着壳体3的周向分布，第二通孔21沿前端盖2的周向分布，第一通孔11沿一级扩压器1的周向分布，且U型冷却通道31、第一通孔11和第二通孔21的数量相等。

电机的壳体3上设置有水冷通道，通过向水冷通道内通入冷却水，对电机的壳体3进行冷却，同时对U型冷却通道内的空气进行冷却。如图1所示，本方案中U型冷却通道31相对于壳体3的水冷通道靠近壳体3的轴线。

如图1所示，用于排出第二空腔内的空气的出气口设置的电机的壳体3上。具体的，壳体3内开设有与第二空腔连通的排气通道32，排气通道32沿壳体3的轴线方向设置，壳体3上设置有与排气通道32连通的出气口，出气口沿垂直于壳体3的轴线方向设置。

如图1所示，排气通道32与出气口形成L型通道。

优选的，排气通道32的长度为10-15mm。

本方案公开了一种燃料电池电堆，包括供气装置，供气装置为两级离心式压缩机100，两级离心式压缩机100为上述任意一个方案中记载的两级离心式压缩机100。

由于两级离心式压缩机100具有上述技术效果，具有该两级离心式压缩机100的燃料电池电堆也具有同样的技术效果，在此不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种两级离心式压缩机，其特征在于，包括电机、一级压缩机和二级压缩机，

所述一级压缩机的一级扩压器（1）上开设有第一通孔（11），所述第一通孔（11）沿所述一级扩压器（1）的轴线方向开设；

所述电机的前端盖（2）上开设有与所述第一通孔（11）连通的第二通孔（21），所述第二通孔（21）沿所述前端盖（2）的轴线方向开设；

所述电机的壳体（3）内开设有U型冷却通道（31），所述U型冷却通道（31）沿所述壳体（3）的轴线方向开设，所述U型冷却通道（31）的其中一条直线通道与所述第二通孔（21）连通；

所述一级压缩机的一级蜗壳（4）与所述电机的壳体（3）相对的一侧、所述电机的壳体（3）与所述一级蜗壳（4）相对的一侧、所述电机的前端盖（2）的外周和所述一级扩压器（1）的外周构成环形空腔（5），所述环形空腔（5）与所述U型冷却通道（31）的另一条直线通道连通；

所述前端盖（2）与所述一级压缩机的一级扩压器（1）相对的一侧开设有第一环形凹槽（23），所述第一环形凹槽（23）与所述前端盖（2）配合形成用于安装推力盘（14）和推力轴承（13）的第一空腔，所述第一环形凹槽（23）的直径大于所述推力盘（14）的直径，所述前端盖（2）上开设有用于连通所述环形空腔（5）与所述第一空腔的凹槽（24），所述第一空腔通过所述电机的转子（6）和所述前端盖（2）之间的第一径向气浮轴承（12）与所述转子（6）和所述电机的定子（7）之间的间隙连通，用于向所述转子（6）与所述定子（7）之间的间隙供入冷却空气；

所述二级压缩机的二级扩压器（10）与所述电机的后端盖（8）相对的一侧设置有第二环形凹槽，所述后端盖（8）与所述二级扩压器（10）相对的一侧设置有第三环形凹槽，所述第二环形凹槽与所述第三环形凹槽连通，所述第二环形凹槽与所述第三环形凹槽组成的第二空腔，所述第二空腔通过所述转子（6）与所述后端盖之间的第二径向气浮轴承（121）与所述定子（7）和所述转子（6）之间的间隙连通，用于将冷却后的空气排入所述第二空腔，所述第二空腔与所述电机的壳体（3）的出气口连通。

2.根据权利要求1所述的两级离心式压缩机，其特征在于，所述前端盖（2）对应所述定子（7）的绕组端部的位置开设有第三通孔（22），所述第三通孔（22）与所述第一空腔连通，

所述后端盖（8）对应所述定子（7）的绕组端部的位置开设有第四通孔（81），所述第四通孔（81）与所述第二空腔连通。

3.根据权利要求1所述的两级离心式压缩机，其特征在于，所述U型冷却通道（31）与所述壳体（3）一体成型。

4.根据权利要求1所述的两级离心式压缩机，其特征在于，所述U型冷却通道（31）的封闭端距离所述后端盖（8）的距离为30-50mm。

5.根据权利要求1所述的两级离心式压缩机，其特征在于，所述U型冷却通道（31）的个数为一个或者多个，且沿着所述壳体（3）的周向分布，所述U型冷却通道（31）的个数与所述第二通孔（21）的个数相等。

6.根据权利要求1所述的两级离心式压缩机，其特征在于，所述U型冷却通道（31）相对于所述壳体（3）的水冷通道靠近所述壳体（3）的轴线。

7.根据权利要求1所述的两级离心式压缩机，其特征在于，所述壳体（3）内开设有与所述第二空腔连通的排气通道（32），所述排气通道（32）沿所述壳体（3）的轴线方向设置，所述壳体（3）设置有与所述排气通道（32）连通的出气口，所述出气口沿垂直于所述壳体（3）的轴线方向设置。

8.根据权利要求7所述的两级离心式压缩机，其特征在于，所述排气通道（32）的长度为10-15mm。

9.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括供气装置，所述供气装置为两级离心式压缩机（100），所述两级离心式压缩机（100）为权利要求1-8中任意一项所述的两级离心式压缩机（100）。

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