一种离心式氢气循环泵的制作方法

本发明燃料电池动力系统技术领域，特别是一种离心式氢气循环泵。

背景技术：

作为真正意义上"零排放"的清洁能源，氢燃料电池在汽车上的应用正在飞速发展。氢燃料电池是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)的方式。燃烧会释放像cox、nox、sox气体和粉尘等污染物。而氢燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。氢燃料电池运行安静，噪声大约只有55db。这使得氢燃料电池适合室内安装，或是安装于室外对噪声有限制的地方。即氢燃料电池具有无污染，无噪音，高效率的优势。

氢燃料电池的运作原理是氢气由燃料电池的阳极进入，氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用，使得阳极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron)，其中质子被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。燃料电池反应后会有一部分氢气未发生转化，这种易燃易爆气体排放到空气中既是对能源的浪费，也大大降低了氢燃料电池系统的能量转化效率。随着新能源汽车氢燃料电池系统的发展，燃料电池车能量转化效率要求越来越高，对电池反应后排放的氢气的循环再利用变得至关重要。所以氢气循环泵是氢燃料电池必不可少的一部分。

2006年oguraindustrialcorp.(小仓工业集团)与加拿大巴拉德(ballard)动力公司合作开发氢气循环泵，原型是基于其原有空压机tx系列产品。tx系列空压机是罗茨式压缩机，以直流无刷电机为驱动马达。oguraindustrialcorp.研发的氢气循环泵已成功应用于ballard研制的客车上。为了防止铝质外壳及钢质转子在水汽+氢气环境中腐蚀，其转子及外壳均用涂层保护。丰田公司的氢气循环泵是在其mirai燃料电池汽车空压机的基础上设计的。其压缩机型式也是罗茨式，所采用的防氢腐蚀的方式及密封形式与oguraindustrialcorp.类似。虽然罗茨氢气循环泵成本低、可靠性高，但由于结构限制，其能量效率低，特别是在高排放压力比下，噪声大，在大功率大流量的情况下尤为严重，难以满足整车的噪声要求。此外，罗茨式氢气循环泵的轴承多为油润滑，对密封要求比较高，存在油污染的可能性。

美国airsquared的主要产品是涡旋式空气压缩机，并以此为基础研制出了涡旋式氢气循环泵，用以取代膜片式氢气循环泵(膜片式氢气循环泵流量小，不适合于小压比大流量工况，且隔膜寿命低，只能在无油条件下使用)。其设计也是采用直流无刷电机，表面涂层防止氢蚀。但缺点是流量较小，并且同等流量的情况下，其重量非常大。同时，径向间隙和轴向间隙过小也是涡旋式氢气循环泵需要考虑的问题；研究结果表明，轴向间隙和径向间隙对涡旋式氢泵性能的影响非常大。旋转速度和压力比对涡旋式氢泵也有很大影响，远远超过相同条件下的其他形式的氢气循环泵。

德国普旭(busch)公司以生产爪式压缩机及真空泵著称，并在此基础上研制出了爪式小流量氢气循环泵，其驱动为高速直流无刷电机，转子表面及压缩机外壳采用涂层保护，已经应用于多种氢燃料电池汽车上，具有可靠性高、结构紧凑的优点，但需要设计更好的爪形泵齿形以平衡压缩比和性能；其缺点是由于其在无油条件下采用了间隙密封的原理，因此密封性差；此外，爪式增压泵的噪音和振动也是需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种离心式氢气循环泵，针对复杂多相介质环境下工质湿度和温度变化范围较大的特点，采用参数化设计及优化方法，结合流动控制手段进行高效宽喘振裕度的离心压缩氢气循环泵设计，特别是使用轴承钢套承载陶瓷轴承，并在轴承钢套与所述转接座之间设置若干o型密封圈，不仅有效实现密封，还解决转子不平衡导致的振动和转子部件内的气流非定常流动带来的高、低频激振。

本发明技术方案如下：

一种离心式氢气循环泵，其特征在于，包括蜗壳、叶轮、转接座、泵壳，以及设于所述泵壳内部的电机定子和电机转子；所述蜗壳包括在其中心位置设置的轴向进气口和在其周向设置的切向排气管，所述叶轮在所述转子转轴的带动下将所述轴向进气口处的气体加速并增压后从所述切向排气管排出；所述转接座靠近所述蜗壳的一端依次设有叶轮容置孔和轴承钢套容置孔，所述叶轮设于所述叶轮容置孔内，所述叶轮和转轴通过所述轴承钢套容置孔内的陶瓷轴承及轴承钢套浮动悬接于所述转接座，所述叶轮容置孔的底部与所述叶轮的底板之间存在轴向间隙，所述轴承钢套固定于所述转接座，且所述轴承钢套的顶端与所述叶轮容置孔的底部相平；所述轴承钢套与所述转接座之间设有若干o型密封圈。

作为优选，所述叶轮包括叶片、叶片承载盘和密封盘，所述叶片围绕所述叶轮的旋转轴线均匀布置于所述叶片承载盘朝向所述轴向进气口的一端，所述叶片为扁片状，其顶部由平滑曲面过渡连接组成，所述蜗壳内部与所述叶轮叶片的叶顶轮廓线相匹配之配合面由三段圆弧依次平滑过渡连接组成；且所述蜗壳的配合面与所述叶轮叶片的叶顶轮廓线之间存在间隙。

作为优选，所述蜗壳至少在与所述蜗壳的配合面相对的外表面处贴附有除冰加热装置，所述除冰加热装置包括伴热带或加热圈或贴片式加热电阻，可贴附于蜗壳外部或埋附于蜗壳壁中；也可在蜗壳壁中设置水道，利用车辆发动机循环冷却水对蜗壳进行加热；所述除冰加热装置的启闭通过循环泵控制器接收到的温度传感器采集的温度数据进行控制。

作为优选，所述叶轮容置孔的底部与所述密封盘的底面之间至少存在0.5mm的轴向间隙。

作为优选，所述密封盘同轴布置于所述叶片承载盘远离所述叶片的一端；所述密封盘的周向表面设有密封齿，所述密封齿与所述转接座间隙配合形成齿形密封；所述密封齿包括三角形密封齿或锯齿形密封齿或梯形密封齿；所述密封齿的齿数包括5-10个，和/或所述密封齿的齿顶部与所述转接座之间的间隙为0.3mm-0.5mm。

作为优选，所述蜗壳和所述转接座的内表面，以及所述叶轮和所述转轴的外表面均涂覆有防氢蚀涂层；所述叶轮在转轴的带动下旋转，所述叶轮的轴心位置设有轴孔，所述转轴在所述轴孔固定并定位；所述轴孔包括设于所述叶片承载盘所在侧的第一光孔和设于所述密封盘所在侧且内径大于所述第一光孔的定位光孔，所述转轴的自由端设有螺纹部和定位盘；所述螺纹部旋出所述轴孔，在所述叶片侧与双螺母结构旋合紧固后，所述定位盘刚好在所述定位光孔定位；所述定位盘通过至少两个中心对称设置的定位销固定在所述转轴；所述双螺母结构的旋紧方向与所述叶轮工作时的旋转方向相反。

作为优选，所述陶瓷轴承为在运行过程中可换气但是不溢出润滑脂的双面密封角接触式球轴承。

作为优选，所述转轴为保证高速旋转时不产生过度变形的硬质材料。

作为优选，所述的电机定子和电机转子之间的间隙设有防氢蚀内衬，所述防氢蚀内衬延伸至所述转接座和所述泵壳的后端盖，且与所述转接座和所述泵壳的后端盖之间均设有o型密封圈。

作为优选，所述电机定子的绕组外侧包覆有将热量传输至泵壳的绝缘环氧导热胶，所述泵壳包括壳体内套和壳体外套，所述壳体内套与所述壳体外套之间设有螺旋冷却水道，所述螺旋冷却水道的进液孔和出液孔分别通过o型密封圈连接进液管道和出液管道。

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述离心式氢气循环泵，针对复杂多相介质环境下工质湿度和温度变化范围较大的特点，采用参数化设计及优化方法，结合流动控制手段进行高效宽喘振裕度的离心压缩氢气循环泵设计，特别是使用轴承钢套承载陶瓷轴承，并在轴承钢套与所述转接座之间设置若干o型密封圈，不仅有效实现密封，还能解决转子不平衡导致的振动和转子部件内的气流非定常流动带来的高、低频激振。采用离心压缩结构形式，使其能够应用于60kw或以上大功率车载燃料电池系统中双极板结构的流量要求为每分钟1400标升的氢气循环动力系统，且效率达到55％以上。

2、本发明所述离心式氢气循环泵，将所述叶片围绕所述叶轮的旋转轴线均匀布置于所述叶片承载盘朝向所述轴向进气口的一端，所述叶片为扁片状，其顶部由平滑曲面过渡连接组成，所述蜗壳内部与所述叶轮叶片的叶顶轮廓线相匹配之配合面由三段圆弧依次平滑过渡连接组成；且所述蜗壳的配合面与所述叶轮叶片的叶顶轮廓线之间存在0.5mm的间隙，能有效防止流场积水对于气流的阻碍，使氢气更易于均匀扩散，从而使得每片电池内的发电更加均匀，堆内各片电池之间的电压差异更小。不仅能够提高电池的输出电流密度，还可以保持氢燃料电池输出的电压的稳定性。

3、本发明所述离心式氢气循环泵，所述蜗壳至少在与所述蜗壳的配合面相对的外表面处贴附有除冰加热装置，也可在蜗壳壁中设置水道，利用车辆发动机循环冷却水对蜗壳进行加热；所述除冰加热装置的启闭通过循环泵控制器接收到的温度传感器采集的温度数据进行控制，可适应复杂多相介质(氢气、湿气和启动时可能存在固态冰)环境下的氢工质压缩参数要求。

4、本发明所述离心式氢气循环泵，采用静音、无油、耐氢蚀，且密封性优异(人字形双唇密封盖特殊的密封结构可保证轴承在运行过程中换气但是润滑脂不会溢出，保证轴承润滑脂不会在运行过程中渗到氢气循环泵内部)的陶瓷轴承，使电机转子能够高速旋转且不产生轴电流，实现氢气循环泵内部100％无油的环境。在体积、效率、噪音水平及安全性方面有明显优势。

5、本发明所述离心式氢气循环泵，所述蜗壳和所述转接座的内表面，以及所述叶轮和所述转轴的外表面等有可能接触到氢气的部件，均涂覆有防氢蚀涂层，既能防止氢气外泄，同时又能防止叶轮和转子在高速运转情况下出现氢脆、氢蚀等损坏。

附图说明

图1是本发明氢气循环泵的剖视结构示意图；

图2是本发明氢气循环泵的三维结构示意图；

图3是图1所示氢气循环泵在位置n处的局部放大结构示意图；

图4是图1所示氢气循环泵在位置m处的局部放大结构示意图；

图5是本发明氢气循环泵的叶轮剖视结构示意图；

图6是本发明氢气循环泵的叶轮端面结构示意图结构示意图；

图7本发明氢气循环泵的叶轮与转轴之间一种固定定位方式结构示意图。

附图标记列示如下：1—蜗壳，11—配合面，12—轴向进气口，13—切向排气管，2—叶轮，21—叶片，22—叶片承载盘，23—密封盘，231—密封齿，3—转接座，4—泵壳，41—后端盖，42—壳体内套，43—壳体外套，44—进液管道，45—出液管道，5—电机定子，6—电机转子，61—转轴，611—螺纹部，612—定位盘，613—定位销，62—紧固螺母，7—陶瓷轴承，71—轴承钢套，72—轴承挡圈，73—紧固螺栓，8—除冰加热装置，9—密封圈，10—防氢蚀内衬。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图1-7和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

一种离心式氢气循环泵，如图1-4所示，包括蜗壳1、叶轮2、转接座3、泵壳4，以及设于所述泵壳4内部的电机定子5和电机转子6；所述蜗壳1包括在其中心位置设置的轴向进气口12和在其周向设置的切向排气管13，所述蜗壳1与转接座3之间采用密封圈9(如o型圈)密封，防止氢气泄漏。所述叶轮2在所述转子转轴61的带动下将所述轴向进气口12处的气体加速并增压后从所述切向排气管13排出；所述转接座3靠近所述蜗壳1的一端依次设有叶轮容置孔和轴承钢套容置孔，所述叶轮2设于所述叶轮容置孔内，并通过所述轴承钢套容置孔内以及后端盖41内成对设置的陶瓷轴承7及轴承钢套71浮动悬接于所述转接座3和所述后端盖41，陶瓷轴承7能够阻断转轴61上因电机转子高速旋转与电机定子产生磁通感应的进而产生轴电压所带来的的轴电流。所述轴承钢套71固定于所述转接座3，且所述轴承钢套71的顶端与所述叶轮容置孔的底部相平；所述叶轮容置孔的底部与所述叶轮2的底板面之间至少存在0.5mm的轴向间隙，以便于所述叶轮2的定位安装及稳定高效旋转。所述轴承钢套71与所述转接座3之间设有若干o型密封圈9，所述o型密封圈9在所述轴承钢套71的周向上密封，且可沿其轴向设置多个o型密封圈9，不仅有效实现密封，还能解决转子不平衡导致的振动和转子部件内的气流非定常流动带来的高、低频激振。本发明所述离心式氢气循环泵，采用离心压缩结构形式，能够满足60kw或以上车载燃料电池系统中流量要求为每分钟1400标升的氢气循环使用要求，且效率达到55％以上。

作为优选，所述叶轮2如图4-6所示，包括叶片21、叶片承载盘22和密封盘23，包括叶片21、叶片承载盘22和密封盘23，所述叶片21围绕所述叶轮2的旋转轴线均匀布置于所述叶片承载盘22朝向所述轴向进气口12的一端，所述密封盘23同轴布置于所述叶片承载盘22的另一端；所述叶片21、叶片承载盘22和密封盘23一般为一体结构。所述叶片21为扁片状，其顶部由平滑曲面过渡连接组成，所述蜗壳1内部与所述叶片21叶顶轮廓线相匹配之配合面由三段圆弧依次平滑过渡连接组成；且所述蜗壳1的配合面11与所述叶片21的叶顶轮廓线之间存在间隙。所述蜗壳1至少在与所述配合面11相对的外表面处贴附有除冰加热装置8。所述除冰加热装置8包括伴热带或加热圈或贴片式加热电阻，可贴附于蜗壳1外部或埋附于蜗壳1壁中；也可在蜗壳1壁中设置水道，利用车辆发动机循环冷却水对蜗壳1进行加热；所述除冰加热装置8的启闭通过循环泵控制器接收到的温度传感器采集的温度数据进行控制，当循环泵控制器接收到的温度传感器采集的温度数据低于某一温度设定值t时(该温度为判断出现冰堵现像的温度)，循环泵控制器启动所述除冰加热装置8，对蜗壳1进行加热，蜗壳1优选采用传热效率较快金属材质，由于蜗壳1和叶轮2之间的间隙较小，一般为0.5mm，加热一定时间t时，可以迅速将该间隙内的冰融化，使得该处温度提升，进而循环泵控制器判断无堵转情况，则停止加热。本发明所述氢气循环泵在实现非接触式增压的基础上，考虑增压气动效率，同时设计除冰加热装置8，解决结冰导致的堵转问题，降低氢气循环泵的控制难度，并提高氢气循环泵的使用寿命。

优选地，所述叶轮2的叶片21为扁片状，根据气动设计要求，其轴向(转轴的轴线方向)高度小于径向延伸的长度，如图5-6所示，所述叶片承载盘22从其中心位置沿其径向延伸时，其叶片21所在侧的表面缓慢降低，形成中间高轴向低的格局，且所述叶片21越靠近中心的位置，其轴向高度也稍有升高。使得所述氢气循环泵的离心式压气机的整体结构紧凑、重量轻、可靠性高、噪音低，且可满足高压比、大流量的工况要求。特别是能够满足60kw以上大功率燃料电池系统的氢气循环系统的使用要求。

优选地，所述密封盘23的周向表面设有密封齿231，所述密封齿231可为三角形密封齿或锯齿形密封齿或梯形密封齿，所述密封齿231的齿数一般为5-10个，齿距优选为1mm，转接座3与密封齿231配合的位置为光孔，且其与所述转接座3之间为间隙配合并形成齿形密封，所述密封齿231的齿顶部与所述转接座之间的间隙优选为0.3mm-0.5mm，以防止压气机涵道里的氢气泄漏到后端电机中。

优选地，所述蜗壳1和所述转接座3的内表面，以及所述叶轮2和所述转轴61的外表面均涂覆有防氢蚀涂层；以防止氢气外泄，同时防止叶轮2在高速运转情况下出现氢脆、氢蚀等损坏。所述叶轮2在转轴61的带动下旋转，所述叶轮2的轴心位置设有轴孔，所述转轴61在所述轴孔固定并定位；所述叶轮轴孔可设计为阶梯孔，短半径的第一光孔设于所述叶片承载盘22所在侧，长半径的定位光孔设于所述密封盘23所在侧。

优选地，如图1和图7所示，所述转轴61的自由端(图1和图7的左端)设有螺纹部611和定位盘612；所述螺纹部611旋出所述轴孔24，在所述叶片21侧与双螺母结构紧固螺母62的旋合紧固后，所述定位盘612刚好在所述定位光孔的台阶处定位。此时，双螺母结构的紧固螺母62旋紧在所述螺纹部611上将叶轮2与定位盘612压紧，防止叶轮2在转轴7相对轴转动。所述双螺母结构的紧固螺母62旋紧方向与所述叶轮工作时的旋转方向相反。

优选地，所述定位盘612通过至少两个中心对称设置的定位销613固定在所述转轴61。所述转轴61上设有两个对称的定位球状沉孔，由于定位销613的作用，定位盘612相对于转轴61轴向径向都无法移动。此结构适用于转轴61较细(即转轴直径较小)的情况，因轴径较细，采用轴肩压紧固定叶轮2，其接触面积较小，无法固定叶轮2。因此采用此结构通过定位盘612加大其与叶轮2定位光孔的接触表面，提高定位可靠性。

优选地，所述转轴61为保证陶瓷轴承7高速旋转时不产生过度变形的硬质材料。

优选地，所述的电机定子5和电机转子6之间的间隙设有防氢蚀内衬10，所述防氢蚀内衬10延伸至所述转接座3和所述泵壳4的后端盖41，且与所述转接座3和所述泵壳4的后端盖41之间均设有o型密封圈9。

优选地，所述的电机定子5的绕组外侧包覆有将热量传输至泵壳4的绝缘环氧导热胶，所述泵壳4包括壳体内套42和壳体外套43，所述壳体内套42与所述壳体外套43之间设有螺旋冷却水道，所述螺旋冷却水道的进液孔和出液孔分别通过o型密封圈连接进液管道44和出液管道45。

作为优选，所述轴承钢套71固定于所述转接座3，且所述轴承钢套71的自由端(靠近叶轮2的一端)与所述叶轮容置孔31的底部相平；所述陶瓷轴承7为双面密封角接触式球轴承，采用非接触式双面密封形式，其密封件结构为能够实现迷宫式密封的人字形双唇密封盖式密封结构，该种密封结构保证陶瓷轴承可以在运行过程中换气但是润滑脂不会溢出，进而保证轴承润滑脂不会在运行过程中渗到氢气循环泵内部，使得氢气循环泵处于100％无油的环境。

所述陶瓷轴承7内圈与转轴61采用过盈配合。所述轴承钢套71与所述陶瓷轴承7外圈采用过渡配合装配，并通过紧固螺栓73固定于所述转接座3上。所述陶瓷轴承7外圈一端采用轴承挡圈72固定。高速陶瓷轴承7内外圈采用高强度硬质不锈钢材料，轴承钢套71的轴承室材质硬度与陶瓷轴承7外圈材质接近，可保证陶瓷轴承7转动运行及寿命，轴承钢套71作为轴承室，固定于转接座3上，转接座3可采用密度较小的金属材料，既保证陶瓷轴承7外圈配合硬度，又减轻产品重量。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。