УСТРОЙСТВО РЕЦИРКУЛЯЦИИ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ЧАСТИЧНО ГАЗООБРАЗНОЙ КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ВОДОРОД, И ТОПЛИВНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2024 года по МПК F04C18/12 F04C27/00 F04C29/00 F04C29/02 H01M8/4089 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в первом аспекте относится к области устройств рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, в частности, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород. Более конкретно, настоящее изобретение относится к области устройств рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, в топливном элементе, в частности, топливном элементе для автомобилей. Во втором аспекте настоящее изобретение относится к топливной батарее, в которой обеспечивается рециркуляция, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для выработки электроэнергии в топливной батарее необходимы газообразные водород и кислород. Для содействия удалению воды, образующейся в результате реакции между водородом и кислородом в топливном элементе, в него подают газ с большим расходом, чем необходимо для реакции.

Поэтому из топливного элемента выпускается, по меньшей мере, частично газообразная композиция, содержащая непрореагировавший газообразный водород, который не был использован в топливном элементе (именуемая водородным выхлопным газом). Чтобы использовать водородный выхлопной газ, топливную батарею снабжают контуром рециркуляции водорода, обеспечивающим подачу водородного выхлопного газа в топливный элемент. Для этого контур рециркуляции водорода, как правило, оборудован устройством рециркуляции водорода.

Из уровня техники известно об использовании в качестве устройства рециркуляции водорода эжектора или вакуумного насоса Рутса. Последний включает собственно насосный узел и узел привода, включающий приводной электродвигатель. Вращающийся вал проходит от электродвигателя узла привода до насосного узла, а в насосной камере установлена пара роторов. Когда два ротора приводят во вращение путем вращения вращающегося вала, приводимого в действие двигателем, водородный выхлопной газ всасывается в насосную камеру, после чего выталкивается из нее и снова поступает в топливный элемент.

Важно, чтобы насос, предназначенный для рециркуляции водорода, был сконструирован так, чтобы было предотвращено проникновение водородного выхлопного газа, всасываемого в насосную камеру, в узел привода или достижение величины концентрации водорода в узле привода, при которой имеется риск взрыва. Для этого в устройствах известного уровня техники используется уплотнение вала, обычно располагаемое между камерой шестерен и двигателем вокруг вращающегося вала или валов. Уплотнение вала предназначено для предотвращения проникновения газообразного водорода из насосной камеры вдоль вращающегося вала в двигатель и, таким образом, предотвращения достижения в узле привода взрывоопасной концентрации водорода.

Однако, газообразный водород может проходить сквозь уплотнение вала. Так, некоторое количество водорода диффундирует из насосной камеры в узел привода, вызывая потенциально опасное увеличение концентрации водорода в двигателе. Для решения этой проблемы были предложены водородные насосы, в которых в узел привода активно нагнетают поток газа, проходящий насквозь и уносящий водород, который потенциально может проходить сквозь уплотнение вала.

К сожалению, хотя в таких насосах возможно ограничение риска взрыва из-за увеличения концентрации водорода в узле привода, в них не гарантируется, что молекулы воды, содержащиеся в, по меньшей мере, частично газообразной композиции, подлежащей рециркуляции, не могут поступать в приводную камеру насоса и/или узел привода. Подобное загрязнение внутреннего пространства насоса сопряжено с проблемами, обычно выражающимися в ненадлежащем функционировании насоса.

К тому же, в автомобильном контексте водородный насос, в частности, насос для рециркуляции водорода в топливных элементах, должен отвечать ряду дополнительных требований, то есть (список не является исчерпывающим):

- соответствовать стандарту на максимальные наружные утечки водорода 10 нсм³/ч;

- быть способным функционировать в широком диапазоне регулирования, который может доходить до отношения 1:20, в частности, достигать максимальной скорости 12000 об/мин;

- быть способным функционировать в широком диапазоне температуры окружающей среды или нагнетаемого газа, в частности, от -40°С до 100°С;

- быть способным функционировать, в силу напряжения питания топливного элемента, при номинальном напряжении от 12 до 800 В на общем коллекторе (Voltage at the Common Collector, VCC), в частности, 24 VCC, 48 VCC, 200 VCC, 400 VCC или 750 VCC и должен обладать повышенной эффективностью; и

- в силу чувствительности биполярных пластин топливного элемента или мембран к таким материалам, как смазка, должен предусматривать использование современных материалов в насосной камере и узле привода.

Таким образом, главные трудности проистекают из разнообразия режимов работы топливного элемента, например, разных рабочих циклов и рабочих давлений, температур в автомобильной части, количества воды и т.д.

Следовательно, существует потребность в надежном и переналаживаемом насосе, отвечающем всей совокупности указанных выше требований и позволяющем преодолеть указанные выше трудности известных систем.

Из уровня техники известен CN 110319004 A, 11.10.2019, F04C18/12, который относится к циркуляционному водородному насосу кулачкового типа. Водородный циркуляционный насос кулачкового типа содержит первый корпус, торцевую крышку подшипника, соединенную с первым корпусом корпуса, и второй корпус, соединенный с торцевой крышкой подшипника, при этом между первым корпусом и концом подшипника образована камера шестерней, в камере шестерней расположены две самосмазывающиеся шестерни, находящиеся в зацеплении друг с другом, и в камере шестерней нет смазочного масла; две самосмазывающиеся шестерни соответственно соединены с ведущим валом и ведомым валом; между торцевой крышкой подшипника и вторым корпусом образована роторная камера, и в роторной камере расположены два взаимно согласованных трехкулачковых ротора. В соответствии с циркуляционным водородным насосом кулачкового типа синхронные шестерни роторов используют новую технологию неметаллической самосмазки и обладают характеристиками высокой термостойкости и отсутствия необходимости в смазке, поэтому не требуется добавления смазочного масло в камеру шестерней, реализуется безмасляная работа циркуляционного водородного насоса, и проблема утечки смазочного масла принципиально решается.

Также из уровня техники известен RU 2402841 C1, 27.10.2010,H01M8/04, который относится к системе топливных элементов. Согласно изобретению измеряется IR сопротивление каждой единичной ячейки (2) (этап S14) и в качестве порогового напряжения задается наибольшее напряжение единичной ячейки на основании IR сопротивления и тока нагрузки (этап S18). Задание наибольшего напряжения единичной ячейки использует карту данных, которая аппроксимирует вольт-амперные характеристики единичной ячейки при недостаточной подаче топливного газа. В этом случае наибольшее напряжение единичной ячейки определяется на основании напряжения по отношению к току нагрузки, полученному из карты данных, и IR потерям, рассчитанным из IR сопротивления и тока нагрузки. Это наибольшее напряжение единичной ячейки сравнивается с измеренным напряжением единичной ячейки (этап S22). Если напряжение единичной ячейки ниже наибольшего напряжения единичной ячейки, генерация мощности топливного элемента останавливается или ограничивается (этап S24).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, позволяющего преодолеть указанные выше ограничения.

В соответствии с изобретением, эта техническая задача решена посредством объекта двух независимых пунктов формулы изобретения. Более частные положения настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в нижеследующем описании.

Более конкретно, в соответствии с первым аспектом, техническая задача изобретения решена посредством устройства рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, при этом, устройство представляет собой безмасляный роторный насос, включающий первый вращающийся вал и второй вращающийся вал, приводящие во вращение, соответственно, первый поршень с кулачками и второй поршень с кулачками в насосной камере, где имеется входное отверстие и выходное отверстие для газообразной композиции, при этом, первый вращающийся вал и второй вращающийся вал предусматривают приведение во вращение приводной системой, расположенной в камере шестерен, при этом, устройство включает первое уплотнение вала и второе уплотнение вала, при этом, первая пара уплотнений размещена вокруг первого вращающегося вала, и вторая пара уплотнений размещена вокруг второго вращающегося вала между насосной камерой и камерой шестерен, при этом, устройство включает камеру выравнивания давления, которая соединена по текучей среде с зазором, расположенным между первым уплотнением вала и вторым уплотнением вала первой и второй пары уплотнений вала, с целью регулирования давления в зазоре, при этом, камера шестерен соединена по текучей среде с зазором, при этом, насосная камера соединена по текучей среде с первым уплотнением вала первой пары уплотнений вала и с первым уплотнением вала второй пары уплотнений вала посредством камеры ослабления пульсации.

Устройство, соответствующее настоящему изобретению, позволяет выровнять давление, действующее с двух сторон уплотнений вала, которые обеспечивают герметичность насосной камеры относительно камеры шестерен. Благодаря выравниванию давления, сила трения между уплотнениями вала и вращающимися валами, вокруг которых они установлены, всегда остается одинаковой, в результате чего становится возможным исключить преждевременное изнашивание уплотнений вала и, таким образом, загрязнение камеры шестерен молекулами воды в газообразной или жидкой форме и/или загрязнение насосной камеры молекулами смазочной текучей среды, присутствующей в камере шестерен. Преимущественно, первая пара уплотнений изготовлена из фторэластомера Viton™, что делает эти уплотнения стойкими к маслам, а вторая пара уплотнений изготовлена из политетрафторэтилена (PTFE), что делает эти уплотнения стойкими к веществам, присутствующим в процессе выработки электроэнергии в топливном элементе, например, воде, водороду и азоту.

В первом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, одно из уплотнений вала - первое уплотнение вала первой пары уплотнений вала, второе уплотнение вала первой пары уплотнений вала, первое уплотнение вала второй пары уплотнений вала и второе уплотнение вала второй пары уплотнений вала - представляет собой манжетное уплотнение. Благодаря использованию манжетного уплотнения, устройство, соответствующее настоящему изобретению, может быть реализовано чрезвычайно просто. Кроме этого, использование манжетного уплотнения обеспечивает максимальную герметичность, так как давление манжеты на вал саморегулируется в зависимости от давления, преобладающего вокруг манжеты.

В первом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения соединение по текучей среде между зазором и камерой шестерен осуществлено посредством канала выравнивания давления, выполненного в первом вращающемся валу и/или втором вращающемся валу. Благодаря этому возможно простое выравнивание давления между зазором, имеющимся между уплотнениями вала двух пар уплотнений, и камерой шестерен.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения устройство включает фильтр смазочной текучей среды, расположенный между каналом выравнивания давления и камерой шестерен. Благодаря наличию фильтра смазочной текучей среды можно предотвратить попадание смазочной текучей среды в канал выравнивания давления и, следовательно, распространение в насосную камеру.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предусмотрено наличие регулировочного впуска, чтобы снаружи устройства регулировать давление в камере выравнивания давления. Таким образом, возможна подача в камеру выравнивания давления газа, например, воздуха, азота, гелия, водорода, неона, аргона, криптона, ксенона или их смеси, с целью регулирования давления этой камеры снаружи устройства.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения камера ослабления пульсации соединена по текучей среде с камерой выравнивания давления посредством мембраны, проницаемой для газообразного водорода, но непроницаемой, по меньшей мере, для молекул воды в жидкой или газообразной форме. Соединение по текучей среде между камерой ослабления пульсации и зазором обеспечивает автоматическое выравнивание давления в зазоре, камере ослабления пульсации и камере шестерен. Поэтому в этом варианте осуществления нет необходимости в активном регулировании давления в зазоре. Кроме этого, благодаря наличию полупроницаемой мембраны возможна фильтрация молекул воды и уменьшение риска загрязнения камеры шестерен и/или загрязнения насосной камеры смазочной текучей среды камеры шестерен.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения соединение по текучей среде между камерой ослабления пульсации и насосной камерой имеет, по меньшей мере частично, форму лабиринта. Благодаря этому пульсация в результате чередования циклов сжатия в насосной камере эффективным образом ослабляется и выравнивается. Поэтому возможно гарантировать, что давление, воздействующее на первые уплотнения вала первой и второй пары уплотнений, во время использования устройства будет оставаться, по существу, постоянным.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения камера ослабления пульсации соединена по текучей среде с выпускным отверстием для воды. Благодаря этому возможно отведение конденсата, в частности, воды, образовавшегося в камере ослабления пульсации.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения входное отверстие насосной камеры ориентировано так, что возможен дренаж жидкости под действием силы тяжести, причем указанная жидкость представляет собой воду. Это особенно выгодно с точки зрения предотвращения образования водного скопления в насосной камере, когда устройство не используется. Водное скопление может замерзать, препятствуя повторному запуску устройства. Дренаж жидкости под действием силы тяжести является простым конструктивным решением, поскольку не требует дополнительного «активного» элемента.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения камера шестерен и/или насосная камера выполнена из материала, стойкого к водороду, или снабжена покрытием из материала, стойкого к водороду. Благодаря этому возможно увеличение срока службы устройства.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения устройство предназначено для использования в топливных элементах автомобилей, в частности, разработано с учетом следующих требований:

- максимальные наружные утечки водорода 10 нсм³/ч;

- увеличение давления смеси газовна впуске топливного элемента до давления в диапазоне до 15 бар, в частности, от 1,5 до 5 бар абс.;

- возможность работы в диапазоне регулирования до 12000 оборотов в минуту при отношении 1:20;

- возможность функционирования в диапазоне температуры окружающей среды или для введения, по меньшей мере, частично газообразной нагнетаемой композиции от -40°С до 100°С; и/или

- возможность функционирования при номинальном электрическом напряжении от 12 до 800 VCC, в частности, 24 VCC, 48 VCC, 200 VCC, 400 VCC или 750 VCC.

В соответствии со вторым аспектом, техническая задача изобретения решена посредством топливной батареи, включающей резервуар для газообразной композиции, содержащей, по меньшей мере частично, водород, при этом, резервуар соединен со впуском топливного элемента, при этом, топливная батарея включает устройство рециркуляции, соответствующее настоящему изобретению, выпуск топливного элемента соединен со входным отверстием устройства рециркуляции, выходное отверстие устройства рециркуляции соединено со впуском топливного элемента.

В описанной батарее газообразная композиция подается в топливный элемент не только посредством резервуара, но также посредством устройства рециркуляции. Таким образом, водород, не израсходованный в топливном элементе, снова поступает в топливный элемент, благодаря чему сокращаются потери водорода и увеличивается эффективность топливной батареи.

В первом предпочтительном варианте осуществления этого аспекта настоящего изобретения батарея включает водоотделитель, соединенный по текучей среде с выпуском топливного элемента и со входным отверстием устройства рециркуляции. При помощи водоотделителя можно извлекать воду из газообразной композиции, выходящей из топливного элемента, до подачи этой композиции в устройство рециркуляции. Благодаря этому можно предотвратить попадание в устройство рециркуляции слишком большого количества воды.

Во втором предпочтительном варианте осуществления этого аспекта настоящего изобретения батарея включает обратный клапан, соединенный по текучей среде с выпускным отверстием водоотделителя. Перепускной клапан позволяет отводить воду и, одновременно, предотвращает обратный поток. Предпочтительно, клапан снабжен датчиком, осуществляющим измерение количества воды в водоотделителе. Когда достигнут определенный уровень воды, обратный клапан открывается, и вода выводится.

В другом предпочтительном варианте осуществления этого аспекта настоящего изобретения регулировочный впуск устройства рециркуляции соединен по текучей среде с резервуаром. Благодаря этому возможна подача газа, заключенного в резервуаре, в устройство рециркуляции и выравнивание давления, действующего на уплотнения вала этого устройства. В результате выравнивания давления может быть предотвращено преждевременное изнашивание уплотнений.

В другом предпочтительном варианте осуществления этого аспекта настоящего изобретения выпускное отверстие устройства рециркуляции соединено по текучей среде с выпускным отверстием водоотделителя. Благодаря этому возможно отведение воды, которая мгла бы накапливаться в устройстве рециркуляции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятны в контексте нижеследующего описания на одном из примеров осуществления, приведенном для пояснения и не имеющем ограничительного характера, со ссылкой на семнадцать прилагаемых чертежей, на которых:

Фиг. 1 представляет собой первый вид в сечении устройства рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;

На фиг. 1а представлена деталь фиг. 1;

Фиг. 2 представляет собой вид спереди устройства, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;

Фиг. 3 представляет собой второй вид в сечении устройства, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;

Фиг. 4 представляет собой третий вид в сечении устройства, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;

На фиг. 5 представлена деталь фиг. 4;

Фиг. 6 представляет собой вид сбоку устройства, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;

Фиг. 7 представляет собой четвертый вид в сечении устройства, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;

На фиг. 8 представлена деталь фиг. 7;

Фиг. 9 представляет собой первый вид в сечении устройства рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, соответствующего второму предпочтительному варианту осуществления изобретения;

На фиг. 10 представлена деталь фиг. 9;

Фиг. 11 представляет собой второй вид в сечении устройства, соответствующего второму предпочтительному варианту осуществления изобретения;

На фиг. 12 схематично показана топливная батарея, соответствующая первому аспекту осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 13 схематично показана топливная батарея, соответствующая второму аспекту осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 14 схематично показана топливная батарея, соответствующая третьему аспекту осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 15 схематично показана топливная батарея, соответствующая четвертому аспекту осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 16 схематично показана топливная батарея, соответствующая пятому аспекту осуществления настоящего изобретения; и

На фиг. 17 схематично показана топливная батарея, соответствующая шестому аспекту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 представлен вид в сечении по А-А (см. фиг. 2) устройства 1 рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 1, в данном случае, в форме безмасляного кулачкового насоса, образовано из множества элементов, соединенных друг с другом съемным образом, т.е., в приведенном примере конструкции, насосной камеры 2 с крышкой 3 насосной камеры и камеры 4 шестерен с крышкой 5 камеры шестерен.

Насосная камера 2 вмещает два поршня с кулачками 8 и 9 (см. фиг 3), приводимые во вращение первым вращающимся валом 13 и вторым вращающимся валом 14, установленными на подшипниках 15 и 16, соответственно, расположенных в крышке 5 камеры шестерен в камере 4 шестерен. Вращающийся вал 13 поршня с кулачками 8 представляет собой входной вал, тогда как вал 14 поршня с кулачками 9 образует выходной вал. Вращающийся вал 13 предусматривает приведение во вращение электродвигателем известным специалистам в данной области техники образом, который здесь подробно не описывается.

Приведение во вращение второго вращающегося вала 14 поршня с кулачками 9, а также необходимая синхронизация с первым вращающимся валом 13 поршня с кулачками 8 осуществляется при помощи приводной системы, включающей два зубчатых колеса 17 и 18, которые находятся в зацеплении между двумя подшипниками 15 и 16. Для оптимального приведения в действие зубчатого колеса 18 зубчатым колесом 17 в камере шестерен 4 имеется смазочная текучая среда. При использовании устройства 1 рециркуляции композиции, содержащей водород, предпочтительно проследить за тем, чтобы смазочная текучая среда была пригодна для данной области применения. В частности, является предпочтительным, чтобы смазочная текучая среда не вступала в реакцию с водородом и была совместима с материалами, используемыми в мембранах топливного элемента.

Как показано на фиг. 3, поршни 8 и 9 представляют собой поршни с кулачками, предусматривающими прокатывание или оборачивание один по другому таким образом, что осуществляется эффективное перемещение и сжатие газообразной композиции, поступающей через входное отверстие 11 и выходящей через выходное отверстие 10. Входное отверстие 11, предпочтительно, ориентировано так, что жидкость, присутствующая в насосной камере 2, может вытекать из этой камеры под действием силы тяжести, когда устройство 1 расположено, как показано на фиг. 1, то есть, опирается на основание 12.

Как указано выше, важно, что конструкцией устройства 1 рециркуляции предусматривается предотвращение проникновения воды в жидкой или газообразной форме в камеру 4 шестерен и/или загрязнение смазочной текучей средой насосной камеры 2. Действительно, некоторое количество воды может вступать в реакцию со смазочной текучей средой, присутствующей в камере 4 шестерен, и/или препятствовать оптимальному вращению зубчатых колес 17 и 18 и/или подшипников 15 и 16, что в долгосрочной перспективе могло бы приводить к нарушению нормальной работы устройства 1. Кроме этого, загрязнение насосной камеры 2 некоторым количеством смазочной текучей средой могло бы приводить к ухудшению эксплуатационных параметров топливного элемента, с которым соединено устройство 1.

Из уровня техники известно об использовании для отделения насосной камеры от камеры шестерен кулачкового насоса резинового уплотнения вала, размещаемого между насосной камерой и камерой шестерен. Обычно, таким образом можно предотвратить проникновение воды, содержащейся в частично газообразной композиции, подаваемой в топливный элемент, в камеру шестерен и загрязнение смазочной текучей средой насосной камеры.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения уплотнения вала, обычно располагаемые вокруг вращающихся валов, приводящих в действие поршни с кулачками, относятся к типу манжетных, таким образом, манжета контактирует с вращающимся валом, и благодаря эластичности манжеты достигается оптимальная герметичность. Уплотнения вала могут представлять собой уплотнения иного типа, механического, лабиринтного и т.д.

Как указано выше, технической задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства 1 рециркуляции водорода, пригодного для использования в области топливных элементов, более конкретно, в области топливных элементов для автомобилей. В этой области применения давление содержащей водород композиции, подлежащей рециркуляции, может изменяться очень значительно, что означает, что давление, действующее на манжету уплотнения вала, также может сильно меняться. При большом давлении между манжетой уплотнений и вращающимся валом, вокруг которого установлены уплотнения, возникает большая сила трения, что может приводить к быстрому износу манжеты. Изношенная манжета уже не обеспечивает необходимой герметичности, и некоторое количество воды в газообразной или жидкой форме может проникать в камеру шестерен, или насосная камера может быть загрязнена некоторым количеством смазочной текучей средой.

Для решения этой проблемы в устройстве 1, как показано на различных фигурах, предусмотрено наличие первой пары уплотнений 19, состоящей из первого уплотнения 19а вала и второго уплотнения 19b вала, которые установлены вокруг первого вращающегося вала 13, и второй пары уплотнений 20, состоящей из первого уплотнения 20а вала и второго уплотнения 20b вала, которые установлены вокруг второго вращающегося вала 14. Как указано выше, уплотнение вала представляет собой установленное на валу уплотнение, то есть, чем больше разность давлений между двумя сторонами уплотнения, тем сильнее манжета прижимается к вращающемуся валу, вокруг которого она помещена. Это подразумевает, что при увеличении разности давлений увеличивается сила трения между манжетой уплотнения и валом. Результатом такого увеличения может стать преждевременный износ и, возможно, разрушение уплотнения.

Для предотвращения преждевременного изнашивания уплотнений пары уплотнений 19 и 20 в устройстве 1 предусмотрено наличие системы выравнивания давления, предназначенной для выравнивания давления с двух сторон уплотнений вала. Как показано на фиг. 4 и 5, устройство 1 включает камеру 25 выравнивания давления, которая соединена по текучей среде с зазором 24 между первым и вторым уплотнениями вала пар уплотнений 19 и 20. Давление в камере 25 выравнивания давления можно регулировать путем введения в нее газа снаружи устройства при помощи регулировочного впуска 29. Таким образом, можно регулировать давление в камере 25 выравнивания давления и зазоре 22 и, следовательно, выравнивать давление, действующее с двух сторон уплотнений вала.

Как показано на фигурах, насосная камера 2, к тому же, соединена по текучей среде с камерой 22 ослабления пульсации посредством отверстия 21. Сама камера 22 ослабления пульсации соединена по текучей среде с первыми уплотнениями 19а и 20а вала пар 19 и 20 уплотнений. Благодаря наличию камеры 22 ослабления пульсации можно ослабить и даже выровнять пульсации давления, возникающие во время насосных циклов в насосной камере 2, и, следовательно, гарантировать, что давление, действующее на манжету первых уплотнений 19а и 20а вала, во время использования устройства 1 будет, по существу, постоянным. Это важно с точки зрения обеспечения оптимальной герметичности. Соединение по текучей среде между камерой 22 ослабления пульсации и насосной камерой 2, предпочтительно, имеет форму лабиринта 23 с малым переносом газа, благодаря чему возможно эффективное ослабление или даже выравнивание пульсаций давления.

Из-за наличия соединения по текучей среде между камерой 22 ослабления пульсации и насосной камерой 2, существует возможность, что вода будет накапливаться в камере 22 ослабления пульсации. Поэтому предпочтительно обеспечить выпускное отверстие 26, через которое можно выпускать воду (см. также фиг. 6). Кроме этого, вода может повторно всасываться через соединительное отверстие 21 в результате насосного цикла в насосной камере 2. Кроме этого, через регулировочный впуск 29 в камеру 25 выравнивания давления и, таким образом, в зазор 24 может быть подан газ, например, воздух, азот, гелий, водород, неон, аргон, криптон, ксенон или их смесь, благодаря чему возможно без труда выровнять давление, действующее на уплотнения вала.

Чтобы не только уплотнения 19а и 20а, но также и уплотнения 19b и 20b не подвергались преждевременному износу, второй вращающийся вал 14 снабжен каналом 27 выравнивания давления, который соединяет зазор 24 с камерой 4 шестерен (см. фиг. 7 и 8). Таким образом, давление, действующее с двух сторон уплотнений вала 19b и 20b, выравнивается, благодаря чему уменьшается сила трения между вращающимися валами и этими уплотнениями. Чтобы исключить обратный поток смазочной текучей среды в зазор 24 через канал 27, второй вращающийся вал 14 снабжен на конце, находящемся в камере шестерен, фильтром 28, через который возможна диффузия газов, но не жидкостей.

На фиг. 9 и 10 представлен вид в сечении по А-А (см. фиг. 2) устройства 30 рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, соответствующего второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Описание элементов устройства 30, подобных элементам устройства 1, опускается. Кроме этого, подобные элементы на фигурах, иллюстрирующих эти два варианта осуществления, обозначены одинаковыми номерами позиций.

В устройстве 30 камера 22 ослабления пульсации соединена по текучей среде с камерой 25 выравнивания давления и, таким образом, с зазором 24. Благодаря этому возможно автоматическое выравнивание давления в насосной камере 2, в зазоре 24 и камере 4 шестерен. Следовательно, в данном варианте осуществления изобретения нет необходимости в активном регулировании давления в камере 25 выравнивания давления. Благодаря наличию соединения по текучей среде между насосной камерой 2 и зазором 24 посредством камеры 22 ослабления пульсации, давление с двух сторон от уплотнений 19а и 20а вала пар уплотнений 19 и 20 выравнивается автоматически.

Преимущественно, соединение по текучей среде между камерой 22 ослабления пульсации и камерой 25 выравнивания давления реализовано посредством полупроницаемой мембраны 31, через которую может диффундировать газообразный водород, но которая задерживает воду в жидкой или газообразной форме, а также смазочные текучие среды. Аналогично устройству 1, соединение по текучей среде между камерой 22 ослабления пульсации и насосной камерой 2, по меньшей мере частично, имеет форму лабиринта 23, благодаря чему возможно эффективное ослабление и даже выравнивание пульсаций давления, исходящих из насосной камеры 2. Кроме этого, как показано на фиг. 10, соединение по текучей среде между камерой 22 ослабления пульсации и зазором 24 (и, таким образом, камерой 25 выравнивания давления), преимущественно, реализуется посредством первой пары калиброванных отверстий 32, второй пары калиброванных отверстий 33 и третьей пары калиброванных отверстий 34. Размер калиброванных отверстий 33 позволяет регулировать расход газообразной композиции вдоль мембраны 31. Как и в устройстве 1, выпускное отверстие 26 позволяет отводить воду, которая могла бы накапливаться в камере 22 ослабления пульсации. В устройстве 30 выпускное отверстие 26 предназначено для отведения воды, которая отбрасывается назад под действием центробежной силы через калиброванные отверстия 32. Наконец, в этом варианте осуществления изобретения также предусматривается наличие регулировочного впуска 29 для регулирования давления в камере 25 выравнивания давления извне устройства.

Благодаря наличию мембраны 31 возможно дополнительное уменьшения риска проникновения молекул воды в камеру 4 шестерен и смазочной текучей среды в насосную камеру 2. Важно отметить, что, как и в устройстве 1, давление с двух сторон от уплотнений вала пар уплотнений 19 и 20 выравнивается, благодаря чему возможно уменьшить их износ и срабатывание. Кроме этого, как показано на фиг. 9, второй вращающийся вал 14 устройства 30 также снабжен на одном из концов фильтром 28, который предотвращает обратный поток смазочной текучей среды из камеры шестерен по каналу 27.

На фиг. 12 представлена топливная батарея 40, соответствующая первому варианту осуществления настоящего изобретения. Батарея 40 включает резервуар 41 водорода, регулятор 42 давления, топливный элемент 43 с анодом 43а, мембраной 43b и катодом 43с. Топливная батарея 40 также включает устройство 1 рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, соответствующее первому варианту осуществления данного аспекта настоящего изобретения. Выходное отверстие 10 устройства 1 соединено с трубой 44, обеспечивающей подачу газообразного водорода в топливный элемент 43, благодаря чему возможна повторная подача в топливный элемент неизрасходованного водорода. Выпуск 43е топливного элемента 43 соединен с водоотделителем 45, который обеспечивает удаление большей части воды, содержащейся в газообразной композиции, выходящей из топливного элемента. Эту воду отводят через выпускное отверстие 45а водоотделителя 45 и через обратный клапан 46. Газообразную композицию, из которой в водоотделителе 45 отделена большая часть воды, через входное отверстие 11 подают в устройство 1. Устройство 1 обеспечивает сжатие газообразной композиции до необходимого давления и повторное введение в трубу 44. В данном варианте осуществления регулировочный впуск 29 устройства 1 соединен с трубой 44 и, таким образом, с резервуаром 41, благодаря чему возможно выравнивание давления, действующего с двух сторон от уплотнений вала (не показаны) устройства 1. Как показано на фиг. 12, выпускное отверстие 26 в данном варианте осуществления не используется и, предпочтительно, закрыто.

На фиг. 13 представлена топливная батарея 50, соответствующая второму варианту осуществления настоящего изобретения. Батарея 50 аналогична батарее 40, представленной на фиг. 12, за исключением того, что выпускное отверстие 26 в этом варианте осуществления соединено с выпуском водоотделителя 45. Благодаря этому возможно удаление воды, которая могла бы образовываться в устройстве 1.

На фиг. 14 представлена топливная батарея 60, соответствующая третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Батарея 60 аналогична батарее 40, представленной на фиг. 12, за исключением одного важного отличия. Это отличие состоит в том, что батарея 60 включает устройство 30 рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, соответствующее второму варианту осуществления данного аспекта настоящего изобретения. Как указано выше, этот вариант осуществления устройства рециркуляции предусматривает наличие системы автоматического выравнивания давления, действующего с двух сторон уплотнений вала (не показаны) устройства 30. Благодаря наличию системы автоматического выравнивания нет необходимости подачи газа через регулировочный впуск 29 с целью выравнивания давления, действующего на уплотнения вала. Так, в варианте осуществления, представленном на фиг. 14, регулировочный впуск 29 не соединен с трубой 44. Важно отметить, что в этом варианте осуществления также существует возможность, если нужно, обеспечить соединение между регулировочным впуском 29 и трубой 44 для подачи газа в устройство 30. Это было бы необходимо, например, если бы устройство автоматического выравнивания не функционировало ненадлежащим образом.

На фиг. 15 представлена топливная батарея 70, соответствующая четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Батарея 70 аналогична батарее 60, представленной на фиг. 14, за исключением того, что выпускное отверстие 26 в этом варианте осуществления соединено с выпуском водоотделителя 45. Благодаря этому возможно удаление воды, которая могла бы образовываться в устройстве 30.

На фигурах 16 и 17, в свою очередь, представлены топливные батареи 80, 90, соответствующие пятому и шестому вариантам осуществления настоящего изобретения. В этих вариантах осуществления выпускное отверстие 26 соединено по текучей среде со входным отверстием 11 устройства 1 рециркуляции и, соответственно, устройства 30 рециркуляции. Благодаря этому возможно удаление воды, которая могла бы образовываться в устройстве рециркуляции, и ее повторяя подача в топливный элемент при помощи устройства 1, 30 рециркуляции и трубы 44.

Очевидно, что при реализации настоящего изобретения возможны различные изменения. Хотя для примера описан не имеющий ограничительного характера вариант осуществления изобретения, понятно, что это не подразумевает исчерпывающего описания всех возможных вариантов. Конечно, может предусматриваться замена описанных средств эквивалентными, не выходящая за рамки объема настоящего изобретения. Все подобные модификации являются частью известного уровня техники, доступного специалистам в области насосов и циркуляционных устройств.

Группа изобретений относится к устройству рециркуляции и топливной батарее. Устройство (1) представляет собой безмасляный роторный насос, включающий первый и второй вращающиеся валы (13, 14), приводящие во вращение, соответственно, первый и второй поршни с кулачками (8, 9) в насосной камере (2) с входным и выходным отверстиями для газообразной композиции. Валы (13, 14) предусматривают приведение во вращение приводной системой (17, 18), расположенной в камере (4) шестерен. Устройство (1) включает первую и вторую пару уплотнений (19, 20) вала, каждая из которых включает первое уплотнение (19а, 20а) и второе уплотнение (19b, 20b). Пара уплотнений (19) размещена вокруг вала (13). Пара уплотнений (20) размещена вокруг вала (14) между камерой (2) и камерой (4). Устройство (1) включает камеру выравнивания давления, соединенную по текучей среде с зазором, расположенным между уплотнениями (19а, 20а) и (19b, 20b) с целью регулирования давления в зазоре. Камера (4) соединена по текучей среде с зазором. Камера (2) соединена по текучей среде с уплотнениями (19а, 20а) посредством камеры ослабления пульсации. Группа изобретений направлена на создание надежного устройства. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Устройство (1, 30) рециркуляции, по меньшей мере, частично газообразной композиции, содержащей водород, отличающееся тем, что

устройство (1, 30) представляет собой безмасляный роторный насос, содержащий первый вращающийся вал (13) и второй вращающийся вал (14), приводящие во вращение, соответственно, первый поршень с кулачками (8) и второй поршень с кулачками (9) в насосной камере (2), содержащей входное отверстие (11) и выходное отверстие (10) для газообразной композиции, при этом первый вращающийся вал (13) и второй вращающийся вал (14) выполнены с возможностью быть приведенными во вращение приводной системой (17, 18), расположенной в камере (4) шестерен,

устройство (1, 30) содержит первую пару уплотнений (19) и вторую пару уплотнений (20), каждая из которых содержит первое уплотнение (19а, 20а) вала и второе уплотнение (19b, 20b) вала, при этом первая пара уплотнений (19) обеспечена вокруг первого вращающегося вала (13) и вторая пара уплотнений (20) обеспечена вокруг второго вращающегося вала (14) между насосной камерой (2) и камерой шестерен (4),

устройство (1, 30) содержит камеру (25) выравнивания давления, которая соединена по текучей среде с зазором (24), имеющимся между первым уплотнением (19а, 20а) вала и вторым уплотнением (19b, 20b) вала первой и второй пары уплотнений (19, 20) вала, с целью регулирования давления в зазоре (24),

камера (4) шестерен соединена по текучей среде с зазором (24), и

насосная камера (2) соединена по текучей среде с первым уплотнением (19а) вала первой пары уплотнений (19) вала и с первым уплотнением (20а) вала второй пары уплотнений (20) вала посредством камеры (22) ослабления пульсации.

2. Устройство (1, 30) по п. 1, в котором, по меньшей мере, одно из уплотнений вала из: первого уплотнения (19а) вала первой пары уплотнений (19) вала, второго уплотнения (19b) вала первой пары уплотнений (19) вала, первого уплотнения (20а) вала второй пары уплотнений (20) вала и второго уплотнения (20b) вала второй пары уплотнений (20) вала представляет собой манжетное уплотнение.

3. Устройство (1, 30) по одному из пп. 1 или 2, в котором соединение по текучей среде между зазором (24) и камерой (4) шестерен осуществлено посредством канала (27) выравнивания давления, выполненного в первом вращающемся валу (13) и/или втором вращающемся валу (14).

4. Устройство (1, 30) по п. 3, содержащее фильтр (28) смазочной текучей среды, расположенный между каналом (27) выравнивания давления и камерой (4) шестерен.

5. Устройство (1, 30) по любому из предшествующих пунктов, в котором предусмотрено наличие регулировочного впуска (29), предназначенного для регулирования давления в камере (25) выравнивания давления снаружи упомянутого устройства.

6. Устройство (1, 30) по любому из предшествующих пунктов, в котором камера (22) ослабления пульсации соединена по текучей среде с камерой выравнивания давления посредством мембраны (31), проницаемой для газообразного водорода, но непроницаемой, по меньшей мере, для молекул воды в жидкой или газообразной форме.

7. Устройство (1, 30) по любому из предшествующих пунктов, в котором соединение по текучей среде между камерой (22) ослабления пульсации и насосной камерой (2) имеет, по меньшей мере частично, форму лабиринта.

8. Устройство (1, 30) по любому из предшествующих пунктов, в котором камера (22) ослабления пульсации соединена по текучей среде с выпускным отверстием (26) для воды.

9. Устройство (1, 30) по любому из предшествующих пунктов, в котором входное отверстие (11) насосной камеры (2) ориентировано так, чтобы обеспечить дренаж жидкости под действием силы тяжести, причем указанная жидкость представляет собой воду.

10. Устройство (1, 30) по любому из предшествующих пунктов, в котором камера (4) шестерен и/или насосная камера (2) выполнена из материала, стойкого к водороду, или покрыта материалом, стойким к водороду.

11. Топливная батарея (40, 50, 60, 70), содержащая резервуар для газообразной композиции, содержащей, по меньшей мере частично, водород, при этом резервуар (41) соединен с впуском (43d) топливного элемента (43), отличающаяся тем, что

топливная батарея содержит устройство (1, 30) рециркуляции по одному из пп. 1-10, выпуск (43е) топливного элемента (43) соединен с входным отверстием (11) устройства (1, 30) рециркуляции, и выходное отверстие (10) устройства (1, 30) рециркуляции соединено с впуском (43d) топливного элемента (43).

12. Топливная батарея (40, 50, 60, 70, 80, 90) по п. 11, содержащая водоотделитель (45), соединенный по текучей среде с выпуском топливного элемента (43) и с входным отверстием устройства (1, 30) рециркуляции.

13. Топливная батарея (40, 50, 60, 70, 80, 90) по п. 12, содержащая обратный клапан (46), соединенный по текучей среде с выпускным отверстием (45а) водоотделителя (45).

14. Топливная батарея (40, 50, 60, 70, 80, 90) по любому из пп. 11-13, в которой устройство (1, 30) рециркуляции включает в себя регулировочный впуск (29), соединенный по текучей среде с резервуаром (41).

15. Топливная батарея (40, 50, 60, 70, 80, 90) по любому из пп. 12-14, в которой устройство (1, 30) рециркуляции включает в себя выпускное отверстие (26), соединенное по текучей среде с выпускным отверстием (45а) водоотделителя (45).