一种气体隔膜泵及多台级联气体隔膜泵组的制作方法

本发明属于化工机械装备设计制造领域，具体涉及一种多台级联的气体隔膜泵组。

背景技术：

1、氢燃料电池是一个十分复杂的系统。涉及到氢、氧的高效传质，余热排出和电荷传导等方方面面。要实现氢燃料电池的高效、长寿命，则必须首先消除影响氢燃料电池系统效率、寿命的主要风险因素，有针对性地提出解决措施。

2、在影响氢燃料电池系统效率、寿命的主要风险因素中，氢燃料电池气体输送系统中微量润滑油蒸汽无疑是最主要的因素。若被输送气体被极少量的油蒸汽污染，因微量油蒸汽会在氢燃料电池膜电极催化剂层的吸附累积效应，长时间运行必然会影响氢燃料电池膜电极多孔的、高比表面积的催化剂层的催化效率。导致氢燃料电池系统性能下降，影响其服役寿命。空气中的微尘埃也可能会阻塞催化剂气体扩散通道，影响输出功率。

3、能够用于氢燃料电池气体输送系统的氢、氧输运的泵比较多，例如涡旋泵、齿轮泵和隔膜泵等。涡旋泵、齿轮泵等体积小，重量轻，气体输运效率高，满足车载燃料电池系统对高集成度、气体高效输运流量等方面要求，且在实际中得到了广泛应用。但涡旋泵、齿轮泵、活塞压缩机的主要问题是泵体的高速旋转支撑部位需要润滑油润滑，且与被输送的气体接触，这就不可避地存在免微量润滑油蒸汽污染被输送气体的问题。隔膜泵可以实现被输送气体与其高效旋转支撑部位油润滑系统的完全隔离，因而可以做到完全无油。但传统隔膜泵以曲轴连杆驱动，存在体积大、重量重问题，特别是同等消耗功率下气体输送效率低，能耗相对高。

4、氢燃料电池系统有多个核心功能设备，包括空气压缩机、氢气循环泵、氢气增湿器、空气过滤器。这些设备分散布局不利于车载氢燃料电池系统的小型化、集成化要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于氢燃料电池系统的气体隔膜泵，旨在解决氢燃料电池气体泵送系统微量油污染等问题。

2、本发明的目的是这样实现的：一种气体隔膜泵，所述气体隔膜泵结构为:上泵盖和下泵盖采用螺栓连接后、由二者围合形成蝶形空间，推杆由圆盘以及一体化设置在圆盘底面的圆柱组成，下泵盖内有供推杆的圆盘沿其下行的空腔，软隔膜固定在推杆的圆盘顶面，推块活动地设置在上泵盖中部开孔上，中部开有排气孔的盖板经螺栓固定在上泵盂上，该盖板上面设置有单向膜片排气阀组件，多根第二弹簧固定在盖板与推块之间，波纹管组件由波纹管固联在中部开孔的圆盘以及下底座之间构成，波纹管组件的圆盘焊接在下泵盖底部，推杆位于推块下面，推杆的圆柱旋接在下底座的向上伸出的柱状体上，位于波纹管内的多根第一弹簧固定在下泵盖底部与下底座之间，用作供电机轴上滾轮驱动作向上位移的斜面滑块经螺栓固定在下底座下面，上泵盖上设置有氢气进口以及单向膜片进气阀，上泵盖上设置有用作通入净化空气的单向膜片进气阀组件，当推杆在吸气工况中下行至下限位时，推杆的圆盘位于蝶形空间下方的下泵盖的空腔内，软隔膜随推杆下行至覆盖在蝶形空间内下泵盖的表面上，推块在第二弹簧的向下张力作用下，贴压在推杆顶面并沿上泵盖中部开孔下行至从盖板的排气孔中脱出，且推块上部位于上泵盖中部开孔上；当推杆在排气工况中上行至上限位时，推杆的圆盘将蝶形空间封堵，软隔膜随推杆上行至覆盖在蝶形空间的上泵盖的表面上，推块随之被推杆顶推上行至推块顶部的凸圆柱将盖板上的排气孔封堵；下泵盖上焊接有抽真空按嘴，抽真空接嘴与下泵盖內的空腔连通。

3、所述蝶形空间的高度1h1与斜面滑块斜面的高度2h2以及推杆的限位高度3h3相同。

4、所述氢气进口以及单向膜片进气阀采用螺栓固定在上泵盖上；所述单向膜片进气阀组件采用螺栓固定在上泵盖上；所述单向膜片排气阀组件采用螺栓固定在上泵盖上。

5、所述本发明所述单级隔膜泵组件的软隔膜以下空间，及波纹管组件以内空间为真空状态。

6、所述上泵盖上设置有用作通入氢燃料电池系统进行冷却的冷却水进口。

7、本发明的另一目的是提供一种四台级联的气体隔膜泵组，旨在解决氢燃料电池气体泵送系统微量油污染、空气中微尘的高效过滤问题以及解决氢燃料高集成度、轻量化需求问题。

8、本发明的另一目的是这样实现的：一种采用上述气体隔膜泵的四台级联的气体隔膜泵组，电机及驱动轴组件为:安装座上安装有第二轴承，减速电机的轴架设在第二轴承内圈上，驱动轴下端与减速电机轴键连接，驱动轴上端架设在第一轴承内圈上，驱动轴中部有一条板形旋转臂，该条板向外伸出的左右端上分别经钢性轴安装有一个滚轮；空气高效过滤与氢气增湿组件为:由连接法兰和与安装座组件一体化设置的安装法兰a围合组成用于盛装空气的内腔，高效过滤布将该内腔分隔为上腔室和下腔室，安装法兰a上开有与下腔室连通的空气进气孔道，且该空气进气孔道前端设置有初效过滤布，连接法兰上开有与上腔室连通的空气排气孔道，增湿腔设置在连接法兰的顶部，氢气进气管从上向下插入增湿腔内，上封头管节套装在氢气进气管外面、且焊接在增湿腔顶部开孔上，排气管焊接在上封头管节上并与上封头管节内腔连通；

9、安装座组件结构为:四个法兰管节前后对称、左右对称布置在安装座组件的前后左右位置上，每个法兰管节向外开口上的法兰c通过螺栓连接一个气体隔膜泵，法兰c与气体隔膜泵之间设有密封垫圈，每个法兰管节上设有旋入并卡固在对应气体隔膜泵的斜面滑块上的一个防转螺钉，安装座组件正下方位置的法兰b经螺栓连接电机及驱动轴组件的安装座，且电机及驱动轴组件的第一轴承安装在法兰b内，安装座组件的正上方位置的安装法兰a经螺栓连接空气高效过滤与氢气增湿组组件的连接法兰；

10、排气管输出增湿处理后的氢气经氢气管道分别与四个气体隔膜泵的氢气进口相连接，空气排气孔道输出臼净化空气经连接管道分别送至四个气体隔膜泵的单向膜片进气阀组件；

11、减速电机驱动旋转臂转动时，旋转臂上的两个滚轮分别会在前后两个或左右两个气体隔膜泵的斜面滑块的底面上滚动，该底面由平面和斜面组成，当滚轮在斜面滑块底面的平面上滚动时，推动斜面滑块上行，推杆和软隔膜以及推块随之上行至上限位，此时，推块顶部的凸圆柱将盖板上的排气孔封堵，软隔膜覆盖在蝶形空间的上泵盖的表面上，推杆的圆盘将蝶形空间的中部封堵，从而完成气体隔膜泵的排气工况；当滚轮滚动到斜面滑块底面的斜面位置时，推动斜面滑块上行的驱动力消失，由于软隔膜下部空间处于真空状态，在外部大气压力和第一弹簧的复位力共同作用下，推块和软隔膜以及推杆下行至下限位，此时，推块顶部的凸圆柱从盖板上的排气孔中脱出，软隔膜覆盖在蝶形空间的下泵盖的表面上，推杆的圆盘位于下泵盖的内腔中，从而完成气体隔膜泵的吸气工况。

12、所述安装座组件上用于安装气体隔膜泵的四个法兰管节内均设置有轴套(12)，用于与斜面滑块形成滑动配合关系

13、本发明的再一目的是提供一种六台级联的气体隔膜泵组，旨在解决氢燃料电池气体泵送系统微量油污染、空气中微尘的高效过滤问题以及解决氢燃料高集成度、轻量化需求问题。

14、本发明的再一目的是这样实现的：一种采用上述气体隔膜泵的六台级联气体隔膜泵组，其特征是，电机及驱动轴组件为:安装座上安装有第二轴承，减速电机的轴架设在第二轴承内圈上，驱动轴下端与减速电机轴键连接，驱动轴上端架设在第一轴承内圈上，驱动轴中部有一条板形旋转臂，该条板向外伸出的左右端上分别经钢性轴安装有一个滚轮；

15、空气高效过滤与氢气增湿组件为:由连接法兰和与安装座组件一体化设置的安装法兰a围合组成用于盛装空气的内腔，高效过滤布将该内腔分隔为上腔室和下腔室，安装法兰a上开有与下腔室连通的空气进气孔道，且该空气进气孔道前端设置有初效过滤布，连接法兰上开有与上腔室连通的空气排气孔道，增湿腔设置在连接法兰的顶部，氢气进气管从上向下插入增湿腔内，上封头管节套装在氢气进气管外面、且焊接在增湿腔顶部开孔上，排气管焊接在上封头管节上并与上封头管节内腔连通；

16、安装座组件为:六个法兰管节按正六边形设置，相邻法兰管节的夹角为60度，每个法兰管节外端的法兰c通过螺栓连接一个气体隔膜泵，每个法兰管节上设有旋入并卡固在气体隔膜泵的斜面滑块上的一个防转螺钉，安装组件正下方位置的法兰b经螺栓连接电机及驱动轴组件的安装座，且电机及驱动轴组件的第一轴承安装在法兰b内，安装座组件的正上方位置的安装法兰a经螺栓连接空气高效过滤与氢气增湿组件的连接法兰；

17、空气高效过滤与氢气增湿组件的净化空气排气孔道分别经管道连接第1～4个气体隔膜泵的单向膜片进气阀组件，空气高效过滤与氢气增湿组件的排氢管输出的增湿氢气经管道输送至第5个气体隔膜泵的氢气进口，第6个气体隔膜泵用于气氢燃料电池系统的冷却水循环；

18、减速电机驱动旋转臂转动时，旋转臂上的两个滚轮分别会在相互平行的两个法兰面上的两个气体隔膜泵的斜面滑块的底面上滚动，该底面由平面和斜面组成，当滚轮在斜面滑块底面的平面上滚动时，推动斜面滑块上行，推杆和软隔膜以及推块随之上行至上限位，此时，推块顶部的凸圆柱将盖板上的排气孔封堵，软隔膜覆盖在蝶形空间的上泵盖的表面上，推杆的圆盘将蝶形空间的中部封堵，从而完成气体隔膜泵的排气工况；当滚轮滚动到斜面滑块底面的斜面位置时，推动斜面滑块上行的驱动力消失，由于软隔膜下部空间处于真空状态，在外部大气压力和第一弹簧的复位力共同作用下，推块和软隔膜以及推杆下行至下限位，此时，推块顶部的凸圆柱从盖板上的排气孔中脱出，软隔膜覆盖在蝶形空间的下泵盖的表面上，推杆的圆盘位于下泵盖的内腔中，从而完成气体隔膜泵的吸气工况。

19、本发明的一种多台级联的气体隔膜泵组设计所依据的原理是：当减速电机转动带动驱动轴转动时，设置在驱动轴上的旋转臂上的滚轮会在斜面滑块的斜面上滚动，驱动斜面滑块平移，同时推动推杆压缩软隔膜，并通过单向排气阀组件实现气体压缩排气。当滚轮滚动离开斜面滑块的斜面后，驱动力消失，第一弹簧推动推杆复位；由于膜片下部空间处于真空状态，在外部大气压力和第二弹簧的共同推动作用，软隔膜向下变形，单向吸气膜片开启，单级隔膜泵组件处于吸气状态。

20、与现有技术相比，本发明的主要创新点在于：

21、通过这种独特的驱动结构设计，方便地将旋转扭力转换为围绕旋转中心辐射状方向的平移推动力。使得利用一根旋转驱动轴，同时推动多个推杆平移成为可能，这为多个隔膜泵的高集成度设计的依据。

22、通过特殊的结构设计，巧妙地利用了大气压力差形成的推力实现软隔膜的变形，提供了隔膜泵吸气的动力，实现隔膜泵自动进气。

23、将氢燃料电池气体循环系统多个核心设备，氢气循环泵、压缩空气机、高效过滤器和氢气增湿器集成在一台设备上，用一台电机驱动，协同工作性能好。体积小，重量轻。

24、本发明的有益技术效果为：

25、(1)与传统隔膜泵的曲轴-连杆驱动结构比较，主驱动轴加工制造精度要求大大降低，因而大大降低了制造成本。

26、(2)与传统的曲轴-连杆驱动多台隔膜泵比较，这种结构设计更加紧凑，加工、装配精度要求更低。因而大大降低了制造成本。

27、(3)本多台级联的隔膜泵，特别实用于氢燃料电池气体循环系统。不仅高度集成了多个泵体，可根据流量需求，分别用于高纯氢和空气的输送。而且，将燃料电池系统气体循环回路所必须的氢气加湿器、空气高效过滤器集成在了一起。结构合理，使用过程相互不干涉。

28、(4)用一台驱动电机，可同时驱动多台隔膜泵，解决了单台隔膜泵输送气体量小的问题。

29、(5)本发明所述一种多台级联的气体隔膜泵组，集成安装的单级隔膜泵组件的数量由所述安装座组件的结构决定。当所述安装座组件的法兰面c之间的夹角为90°时，可同时实现4台单级隔膜泵组件的级联；当所述安装座组件的法兰面c的夹角为60°时，可同时实现6台单级隔膜泵组件的级联。

30、(6)所述多台级联指根据应用需求可以采取串联、并联。例如，对于一个6级级联的泵组，其中4台单级隔膜泵组件采用并联，用于氢燃料电池系统供空气；1台用于氢燃料电池系统氢气循环，另一台1台用于氢燃料电池系统冷却水循环等。