本发明涉及燃料电池空气压缩机密封技术领域，尤其涉及一种燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统。
背景技术：
随着技术的成熟和成本的持续降低，燃料电池汽车越来越被政府和企业认可为新能源汽车的发展方向，众多知名企业加大对燃料电池系统的研发投入。燃料电池车用空气压缩机，作为其重要元器件，为燃料电池的阴极反应提供高压空气，其成本和能耗约占燃料电池系统的20％，其性能好坏直接影响燃料电池系统的性能。
目前市场上和各个公司研发的主流燃料电池空压机，都是应用永磁同步电机 空气箔片轴承，而空气冷却系统，直接用于冷却轴承系统，带走转子和定子之间的风损和转子发热。空冷系统直径关系着整个转子系统的可靠性。同时为了保证空气冷却的效率，需要有效的分离冷却气道和压轮处的高压气体，而由于转子的高速旋转，需要设计高效可靠的密封系统。
盖瑞特(前身隶属于honeywell)，是最早的把燃料电池空气压缩机商业化的公司，关于其产品的冷却系统和密封系统，其中专利us_2015_0275920_a1公开了一种燃料电池空气压缩机的冷却和密封系统，但是其空气冷却流道复杂，需要在壳体和背板上预留大量孔，制造难度大；并且低压级和高压级的空冷气体，直接在径向喷射在高速转子上面，第一带来加大空冷气体的流动损失，第二对转子的稳定性带来很多不确定因素，存在很大失效风险；低压级和高压级的密封机构采用了密封环，密封环安装相对困难，而且存在密封环和高速转子碰擦的风险，带来转子失稳的风险。
技术实现要素：
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括空气压缩机；气道流通结构，所述气道流通结构设置在所述空气压缩机内，所述气道流通结构包括主进气道、轴向进气管道以及径向进气管道；密封结构，所述密封结构设置在空气压缩机轴向两端。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述空气压缩机包括电机壳、位于电机壳内部的电机转子系统，所述电机转子系统包括低压端以及高压端，所述低压端所在的电机壳一侧设置有与所述电机壳相配合的背板，所述电机壳与所述电机转子系统之间设置有空气轴承所述主进气道位于所述电机壳的上，所述轴向进气管道位于所述电机壳内部轴向方向上。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述径向进气管道包括低压端进气管道以及高压端进气管道，其中所述低压端进气管道位于所述背板上，所述高压端进气管道位于所述电机壳的高压端方向。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述电机壳与所述背板之间设置有定位环，所述定位环上设置有多组冷却气道，在所述定位环与所述电机转子系统之间设置有旋转件。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述冷却气道沿所述电机转子系统切向设置，并且所述冷却气道的切向与所述电机转子系统的旋转方向一致。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述电机转子系统与所述背板之间设置有所述密封结构；所述电机外壳与所述电机转子系统之间设置有挡板，所述挡板与所述电机转子系统之间设置有所述密封结构。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述密封结构包括密封杆以及位于所述密封杆上的多组凸起，其中所述凸起与所述背板以及所述挡板之间留有缝隙，所述凸起至少设置三组。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：其中所述凸起的顶端与所述背板以及所述挡板之间的缝隙定义为间隙k，所述凸起的高度定义为齿高h，所述相邻凸起之间的距离定义为齿距l，以及所述凸起的顶端至所述密封结构块的底部距离定义为直径m。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述间隙k为0.1mm～0.5mm，所述齿高h为0.5mm～2mm，所述齿距l为1mm～3mm，所述直径h为30mm～50mm。
作为本发明所述燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的一种优选方案，其中：所述间隙k为0.3mm，所述齿高h为1mm，所述齿距l为2.5mm，所述直径h为40mm。
本发明的有益效果：在满足各个部分合理的空冷流量配比的情况下，实现了空冷的流道系统结构简化，避免上述专利额外环状结构；在低压级，通过定位环的孔，来均布空气冷却气体，空冷的进气改为切向进气，且方向和旋转方向相同，提高了冷却的效率，减小了不必要气流损失，而且避免气流对转子的直接的径向激励；在高压级，空冷的进气，利用静止的挡板，把最后的径向进气改为轴向进气，而且避免气流对转子的直接的径向激励；在密封设计上，密封结构考虑了平衡轴向力，确定直接尺寸，采用迷宫密封设计，优化了几何尺寸，从而达到减少泄露量，提高空压机的压缩效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的整体结构剖面示意图。
图2为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统所述的定位环结构示意图。
图3为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统所述的密封结构示意图。
图4为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统内气体流通方向示意图。
图5为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统所述的定位环内的气体流通方向示意图。
图6为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统所述的密封结构流线分布示意图。
图7为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统所述的密封结构压力分布示意图。
图8为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统所述的电机转子系统叶轮压力分布图。
图9为本发明燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统所述的叶轮压力分布分析示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1，提供了一种燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统的整体结构示意图，如图1，一种燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统包括空气压缩机100、气道流通结构200以及密封结构300；
具体的，本发明主体结构包括气道流通结构200，气道流通结构200设置在空气压缩机100内，气道流通结构200包括主进气道201、轴向进气管道202以及径向进气管道203；密封结构300，密封结构300设置在空气压缩机100轴向两端。
进一步的，主进气道201用于将外部气流引入电机壳内，其中轴向进气管道202主要用于将气体导向电机外壳左右两侧，然后气体进入左右两侧后再进入到径向进气管道203，从而将气体导流到燃料电池空压机内的空气轴承处，同时，在空气压缩机100的两端设置有密封结构300用于减少气体的泄露。
实施例2
参照图1、2、4、5，该实施例不同于第一个实施例的是：空气压缩机100包括电机壳101、位于电机壳101内部的电机转子系统102，电机转子系统102包括低压端102a以及高压端102b，低压端102a所在的电机壳101一侧设置有与电机壳101相配合的背板103，背板103与电机外壳101之间为可拆卸连接，电机壳101与电机转子系统102之间设置有空气轴承104，主进气道201位于电机壳101的上，轴向进气管道202位于电机壳101内部轴向方向上，与电机转子系统102平行设置。
具体的，径向进气管道203包括低压端进气管道203a与高压端进气管道203b，其中低压端进气管道203a位于背板103上，即背板103上开设有沟槽用作低压端进气管道203a，高压端进气管道203b位于电机转子系统102的高压端方向，即处于电机壳101的左侧，在电机壳101与背板103之间装有定位环105，定位环105上开有多组绕电机转子圆形的环型设置的冷却气道105a，并且冷却气道105a的沿定位环105切向设置，其作用就是用于改变进气的方向，防止冷却气体直接吹向电机转子的叶轮，避免气流对转子的直接的径向激励，并且能够提高冷却效率，从而提升空压机的性能，在定位环105与电机转子系统102之间设置有旋转件106，即旋转件106套接在电机转子系统102的转轴上。
进一步的，在电机转子系统102与背板103之间设置有密封结构300，同样的，在电机壳101右侧，电机壳101与电机转子系统102之间设置有挡板107，而在挡板107与电机转子系统102之间设置有与左侧相同的密封结构300，此处挡板107的作用则是将进入高压端进气通道203b的气流方向进行改变，使得气体可以改变行进路径从而进入到高压端空气轴承104处，供使高压端空气轴承104进行工作，与之类似的是，在低压端，气体的方向则是由定位环105上的冷却气道105a进行改变，将其导入低压端空气轴承104，使得两侧空气轴承104都可依托同一方向进入的气体进行工作。
具体的工作原理如下：当气体从主进气道201进入到轴向进气管道202以及径向进气管道203内后，当气体沿着高压端进气管道203b向下流通时，会遇到挡板107的隔离，使得气体发生转向从而向高压端空气轴承104处流通，此时一部分气体会从密封结构300处流出，但由于密封结构300外侧的叶轮导致内部气压低于外部气压，会有一部分外接气体发生回流从而进入到空气轴承104处，供给给空气轴承104，同样的在低压侧进气管道203a处的气体则是会进入到定位环105内，并沿着定位环105上的冷却管道105a进行切向流通，一方面避免了对叶轮的径向激励，一方面则是能够提高冷却效率，同时密封结构300将整个电机壳101内的气体泄露量降低到了最小，并且，从冷却管道105a处流出的气体进入到了低压端空气轴承104处，供给给低压端空气轴承104进行工作，从高压端空气轴承104流出的部分气体再从电机壳101内部泄气通道中流出。
实施例3
参照图3，该实施例不同于以上实施例的是：密封结构300包括密封杆301，以及位于密封杆301上的多组环型凸起302，这里的一种优选方案是，环型凸起302的组数为3组。
具体的，凸起302与背板103以及挡板107之间的存在一定缝隙，此缝隙定义为间隙k，而凸起302的自身高度定义为齿高h，而相邻两组凸起302之间的距离定义为齿距l，以及该环型凸起302自身的环型直径定义为直径m。
进一步的，所述间隙(k)的尺寸为0.1mm～0.5mm，所述齿高(h)的尺寸为0.5mm～2mm，所述齿距(l)的尺寸为1mm～3mm，所述直径(h)的尺寸为30mm～50mm，当上述四个标准取值处于上述取值范围内的时候，燃料电池空气压缩机的整体冷却效率以及密封程度处于一个较优范围内。
实施例4
参照表1～5，该实施例不同于以上实施例的是：当所述凸起302的组数取值为4组、间隙k取值为0.3mm、齿高h取值为1mm、齿距l取值为2.5mm，直径h取值为40mm时，燃料电池空气压缩机具有最优的工作效率，并且能将泄露量降低至最少数值。
具体的，表1为改变凸起302组数的对照实验数据、表2为基于表一试验结果基础上改变直径h数值的对照实验数据，表3为基于表1、表2试验结果的基础上改变凸起302的高度的对照实验数据，表4为基于表1、2、3试验结果基础上改变齿距l数值的对照实验数据，表5是基于上述四个数值确定的基础上仅改变间隙k数值的对照实验数据。
由试验结果数据可知，当间歇k取值0.3mm、齿高h取值1mm、齿距l取值2.5mm、直径h取值为40mm、凸起302组数取值为4组时，燃料电池空气压缩机的密封性能为最优。
表1
表2
表3
表4
表5
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：包括，
空气压缩机(100)；
气道流通结构(200)，所述气道流通结构(200)设置在所述空气压缩机(100)内，所述气道流通结构(200)包括主进气道(201)、轴向进气管道(202)以及径向进气管道(203)；
密封结构(300)，所述密封结构(300)设置在空气压缩机(100)轴向两端。
2.如权利要求1所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述空气压缩机(100)包括电机壳(101)、位于电机壳(101)内部的电机转子系统(102)，所述电机转子系统(102)包括低压端(102a)以及高压端(102b)，所述低压端(102a)所在的电机壳(101)一侧设置有与所述电机壳(101)相配合的背板(103)，所述电机壳(101)与所述电机转子系统(102)之间设置有空气轴承(104)所述主进气道(201)位于所述电机壳(101)的上，所述轴向进气管道(202)位于所述电机壳(101)内部轴向方向上。
3.如权利要求2所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述径向进气管道(203)包括低压端进气管道(203a)以及高压端进气管道(203b)，其中所述低压端进气管道(203a)位于所述背板(103)上，所述高压端进气管道(203b)位于所述电机壳(101)的高压端方向。
4.如权利要求2或3所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述电机壳(101)与所述背板(103)之间设置有定位环(105)，所述定位环(105)上设置有多组冷却气道(105a)，在所述定位环(105)与所述电机转子系统(102)之间设置有旋转件(106)。
5.如权利要求4所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述冷却气道(105a)沿所述电机转子系统(102)切向设置，并且所述冷却气道(105a)的切向与所述电机转子系统(102)的旋转方向一致。
6.如权利要求2、3、5任一所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述电机转子系统(102)与所述背板(103)之间设置有所述密封结构(300)；所述电机外壳(101)与所述电机转子系统(102)之间设置有挡板(107)，所述挡板(107)与所述电机转子系统(102)之间设置有所述密封结构(300)。
7.如权利要求6所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述密封结构(300)包括密封杆(301)以及位于所述密封杆(301)上的多组凸起(302)，其中所述凸起(302)与所述背板(103)以及所述挡板(107)之间留有缝隙，所述凸起(302)至少设置三组。
8.如权利要求7所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：其中所述凸起(302)的顶端与所述背板(103)以及所述挡板(107)之间的缝隙定义为间隙(k)，所述凸起(302)的高度定义为齿高(h)，所述相邻凸起(302)之间的距离定义为齿距(l)，以及所述凸起(302)的顶端至所述密封结构块(302)的底部距离定义为直径(m)。
9.如权利要求8所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述间隙(k)为0.1mm～0.5mm，所述齿高(h)为0.5mm～2mm，所述齿距(l)为1mm～3mm，所述直径(h)为30mm～50mm。
10.如权利要求9所述的燃料电池空气压缩机空气冷却和密封系统，其特征在于：所述间隙(k)为0.3mm，所述齿高(h)为1mm，所述齿距(l)为2.5mm，所述直径(h)为40mm。
技术总结