干式双螺杆压缩机和燃料电池组件的制作方法

本实用新型涉及一种用于向消耗部件供应气体的干式双螺杆压缩机，所述干式双螺杆压缩机包括：壳体，所述壳体界定呈两个相交圆筒形状的工作空间；布置在所述工作空间中用于压缩气体的两个相互接合的轴向平行的螺杆转子。根据本实用新型的干式双螺杆压缩机特别有利于用于向燃料电池供应气体。因而，本实用新型也涉及一种包括燃料电池和用于向所述燃料电池供应气体的干式双螺杆压缩机的燃料电池组件。

背景技术：

下面将燃料电池用作本实用新型应用领域的尤其有利实施例。但是应理解，本实用新型也有利地应用于向诸如内燃机的其它气体消耗部件供应气体。

近来，燃料电池吸引了更多的注意并日益被珍视为在多个不同应用中的能源。在近年来，例如已开发出完全或部分由燃料电池驱动的诸如公共汽车和私家车的各种车辆。但是，考虑到效能和经济，燃料电池技术仍然存在一定问题。因此，目前正进行大量的研究开发工作以进一步开发技术并改善燃料电池系统中包含的各种子系统且使其更有效。重要之一在于，这样的子系统由用于向燃料电池供应压缩空气或其它气体的装置构成。为了燃料电池的更好作用和有效性，极为重要的是以正确的压力和流量向燃料电池供应空气。

双螺杆压缩机已证明非常适用于向燃料电池供应压缩空气，因为其具有在恒定压力下产生一致的空气流的良好能力。双螺杆压缩机包括两个平行的相互接合的转子，呈彼此接合的凸形转子和凹形转子形式，将空气在逐渐增加的压力下从压缩机的入口压向其出口。所述转子可以被设计并驱动成使其以相同的速度或者彼此以成倍数的速度旋转。为了通过避免在朝向入口的方向上的空气泄露而获得良好的效率，非常重要的是使得两个转子之间以及各转子与周围压缩机壳体之间的齿隙尽可能地小。同时，必须避免转子之间的所有接触，因为这样的接触会导致转子受损或者压缩机整体损坏。

为了维持转子之间尽可能小的正确的齿隙，转子的旋转速度必须被同步。通常借助包括两个固定在相应转子的轴上的相互作用的齿轮的齿轮传动装置来实现该同步。传动比当然被选择成使其对应于两个转子的旋转速度之间的期待比率。

双螺杆压缩机可以基本被分为两个主要子组：干式或“无油”双螺杆压缩机以及注射有油/液体的双螺杆压缩机。干式双螺杆压缩机在转子与压缩机的内壁之间没有润滑液体的情况下进行操作。在干式双螺杆压缩机中，齿轮传动装置确保凸形转子和凹形转子保持精确对准。在注射有油/液体的双螺杆压缩机中，润滑液体桥接转子之间的空间，以在两个转子之间提供液压密封。

为了向燃料电池系统提供清洁的压缩空气，需要干式或“无油”压缩机。在干式双螺杆压缩机中，完全通过转子的动作来压缩空气，而无需油的帮助来封锁工作腔室。结果，它们通常具有较低的最大排气压力能力。

凸形转子包括被设计成与凹形转子的对应叶片合作的数个叶片。对于空气压缩机，典型的叶片组合(凸形+凹形)是3+5、4+5和5+6。其它叶片组合不常见并且很少使用。具体的是，具有较多数量的叶片显著地增加了制造成本，并且也增加了转子的重量。

鉴于向燃料电池供应空气，上述已知的双螺杆压缩机相比于其它压缩机和泵具有数个优点。但是，燃料电池系统中的压缩机以高效率进行操作是极为重要的，这是因为压缩机的效率直接影响整个燃料电池系统的整体效率。由于燃料电池领域的快速发展，持续需要例如在效率和尺寸方面改进的干式压缩机，以匹配尤其在汽车应用中对空气供应的增加需求。

技术实现要素：

本公开的一个目的是生产一种干式双螺杆压缩机，该双螺杆压缩机用于以正确的压力和流量向燃料电池高效地供应气体。

通过根据本公开的第一方面的干式双螺杆压缩机来实现该目的和其它目的。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于向消耗部件供应气体的干式双螺杆压缩机，该干式双螺杆压缩机包括：

壳体，所述壳体界定呈两个相交圆筒形状的工作空间；

布置在所述工作空间中用于压缩气体的两个相互接合的轴向平行的螺杆转子，

其特征在于，一个螺杆转子是包括至少6个叶片的凸形转子，或者一个螺杆转子是包括至少8个叶片的凹形转子。

根据本实用新型的双螺杆压缩机是干式双螺杆压缩机，即在转子与压缩机的内壁之间没有润滑液体的情况下进行操作的双螺杆压缩机。

本实用新型的设计人惊奇地发现，通过使用比传统用在干式双螺杆压缩机转子上的叶片更多数量的叶片，尤其是对于凸形转子使用至少6个叶片或者对于凹形转子使用至少8个叶片，可以提高干式双螺杆压缩机的效率。该提高的效率在燃料电池中是非常期望的，在燃料电池中需要高效率和/或减小尺寸的干式双螺杆压缩机。

而且已发现通过使用比传统用在干式双螺杆压缩机转子上的叶片更多数量的叶片，尤其是对于凸形转子使用至少6个叶片或者对于凹形转子使用至少8个叶片，可以显著地降低因压缩机导致的噪音。本实用新型压缩机的该惊奇优点可以有助于提高转子端速，这又增加了在操作期间形成的噪音频率。增加的频率使得更容易实现压缩机的高效消声。

在干式双螺杆压缩机中，齿轮传动装置典型地用于确保凸形转子和凹形转子相对于彼此保持精确的对准。由此在一些实施方式中，干式双螺杆压缩机进一步包括齿轮传动装置，该齿轮传动装置确保凸形转子和凹形转子在旋转期间相对于彼此保持精确的对准。传动比当然被选择成使其对应于两个转子的旋转速度之间的期待比率。齿轮传动装置还包括具有对置端壁的供安装齿轮轴的齿轮传动装置壳体。

在一些实施方式中，一个螺杆转子是包括至少6个叶片的凸形转子，并且一个螺杆转子是包括至少8个叶片的凹形转子。用在根据本公开的干式双螺杆压缩机中的可能叶片组合(凸形+凹形)的实施例包括6+8、7+9、8+10、6+9、7+10、8+11、7+8 以及8+9。

在一些实施方式中，所述凸形转子具有6个叶片，所述凹形转子具有8个叶片。已发现，凸形转子正好具有6个叶片并且凹形转子正好具有8个叶片的实施方式提供了提高的绝热效率、恒定流量和压力以及生产成本的尤其有益的组合。

所述双螺杆压缩机被电机驱动。所述电机例如可以是永磁电动机。在优选实施方式中，所述压缩机包括集成的电机。

在一些实施方式中，所述电机直接连接至所述螺杆转子中的一个螺杆转子。

所述电机可以优选地能够产生在至少20000rpm范围内的旋转速度，优选地在 20000-30000rpm范围内的旋转速度。

所述电机优选地能够生成所述凸形转子的在40-130m/s范围内的叶片峰值速度。更优选的是，所述电机能够生成所述凸形转子的在60-100m/s范围内的叶片峰值速度。

在一些实施方式中，各转子均具有非对称叶片轮廓。

在一些实施方式中，干式双螺杆压缩机的壳体包括：

-筒壁；

-位于所述压缩机的入口端的第一端壁；并且

-位于所述压缩机的出口端的第二端壁，其中所述筒壁与所述第一端壁和第二端壁一起界定了所述工作空间；并且

-进气口，用于在所述压缩机的入口端处将空气吸入所述工作腔室中；以及

-出气口，用于在所述压缩机的出口端输出压缩气体。

本领域技术人员认识到本公开的干式双螺杆压缩机可以用于在宽范围应用中供应宽范围的气体。但是已发现，本公开的干式双螺杆压缩机的特性特别有用于向燃料电池供应各种气体尤其是空气。

所述干式双螺杆压缩机被设计成向消耗部件供应气体。在优选实施方式中，所述气体是空气。

本公开的干式双螺杆压缩机的高效率尤其有用于向燃料电池、特别是用在车辆中的燃料电池供应气体。由此，在优选实施方式中，所述消耗部件是燃料电池，优选地是车辆中的燃料电池。

这里描述的根据第一方面的干式双螺杆压缩机特别有用于向燃料电池供应气体。由此，根据本公开的第二方面，提供了一种燃料电池组件，该燃料电池组件包括：

燃料电池；以及

根据第一方面的干式双螺杆压缩机，用于向所述燃料电池供应气体。

附图说明

现将参照附图以实施例的方式更详细地描述本实用新型，在附图中：

图1是双螺杆压缩机中包括的一定部件的长度剖视图；

图2是示出了根据本实用新型实施方式的双螺杆压缩机中的配合的凸形转子和凹形转子的剖视图的示意性视图；

图3是显示用传统的3+5叶片组合以及根据本实用新型实施方式的6+8叶片组合获得的绝热效率的计算机模拟对比的视图。

具体实施方式

双螺杆压缩机的基本结构和功能特征对于本领域技术人员是熟知的。

图1以长度剖视图示出了根据本公开的干式双螺杆压缩机1。压缩机1包括两个互相接合的轴向平行的螺杆转子2、6。所述转子中的一个转子是凸形转子2，另一个转子是凹形转子6。各转子展现出一组由绕中心轴线5、9布置的螺旋槽4、8分开的螺旋叶片3、7，其中一个转子的叶片与另一个转子的槽啮合。

转子2、6布置在壳体10中，壳体10界定了供布置转子的工作空间12。工作空间12具有两个与相应转子的中心轴线5、9同心的相交圆筒的形状。工作空间12由壳体的筒壁14、壳体的位于压缩机入口端18的第一端壁16以及壳体的位于压缩机出口端22的第二端壁20界定。壳体通常由金属制成，但是也可以由聚合物或复合材料制成。转子可以由金属、聚合物或复合材料制成。

在转子的旋转期间，叶片峰以窄公差经过壳体的筒壁14，以在叶片峰与壳体10 之间有效地形成了密封。当凸形转子2和凹形转子6啮合在一起时在二者之间也建立了密封线。另外，相应凸形转子2和凹形转子6与第一端壁16和第二端壁20之间的公差也较窄。

在压缩机1的入口端18处，布置有用于将空气吸入工作腔室内的进气口(未示出)。在压缩机1的出口端22处，布置有用于输出被压缩空气的出气口(未示出)。

当转子旋转时，在转子2、6与壳体10之间形成闭合的工作腔室，从而各工作腔室从入口端16行进至出口端。最初，在空气被吸入工作腔室内时的膨胀阶段期间，工作腔室与进气口连通。当工作腔室与进气口的连通被中断时，吸入阶段结束。工作腔室的容积接着会逐渐减小，工作腔室内的空气就被压缩。随着工作腔室朝向出口端 20行进，工作腔室将最终开始与出气口连通，并且在进一步压缩期间推动空气经过出气口。

压缩机1具有带有6个叶片的凸形转子2和带有8个叶片的凹形转子6，即其具有6+8叶片组合。

转子2、6可以被设计并驱动成使其以相同的速度或者彼此以成倍数的速度旋转。为了获得良好的效率，尤其是在压缩机工作空间中不使用液体润滑剂的干式双螺杆压缩机中，非常重要的是使得两个转子之间以及各转子与周围压缩机壳体之间的齿隙 (即，朝向入口的方向上的空气泄露)尽可能地小。同时，必须避免转子之间的所有接触，因为这样的接触会导致转子受损或者压缩机整体损坏。

为了维持转子之间尽可能小的正确的齿隙，转子的旋转速度的同步是重要的。借助包括两个固定在相应转子的轴上的相互作用的齿轮的齿轮传动装置来实现该同步。传动比当然被选择成使其对应于两个转子的旋转速度之间的期待比率。齿轮传动装置也包括具有对置端壁的供安装齿轮轴的齿轮传动装置壳体。基于成本和制造技术的原因，期望的是将齿轮传动装置壳体的端壁设计成由铝制成，同时基于强度的原因齿轮优选地由钢制成。

借助集成的永磁电动机(未示出)来驱动压缩机。所述电机直接连接至凸形转子 2的中心轴线5。所述电机能以在0-24000rpm范围内的速度操作，并且能够生成凸形转子的在40-130m/s范围内的叶片峰值速度。

本实用新型不应被认为限于上述实施方式，而可以在后面权利要求的范围内自由改变

实施例-用传统的3+5叶片组合以及6+8叶片组合获得的绝热效率的模拟对比

图3示出了分别用传统的3+5叶片组合以及本实用新型的6+8叶片组合获得的绝热效率的计算机模拟结果。