燃料電池羅茨式鼓風機：一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構的制作方法

　　本實用新型屬于鼓風機密封裝置技術領域，具體涉及一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構。

　　背景技術：

　　羅茨鼓風機屬于容積回轉(zhuǎn)式鼓風機，是一種典型的氣體增壓與輸送機械，其最大的特點是在使用壓力范圍內(nèi)排氣量幾乎不變，又由于其結(jié)構簡單、維修方便、使用壽命長，安裝方式靈活多變，容積效率高，以及具有輸送介質(zhì)不含油等特性，因此已經(jīng)廣泛應用于經(jīng)濟建設的各個行業(yè)。由于羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子與殼體端面間存在相對運動，為了不發(fā)生干涉或摩擦，轉(zhuǎn)子的端面和殼體端面之間就會存在間隙，稱為軸向間隙。如果軸向間隙過小，就會造成殼體端面與轉(zhuǎn)子端面磨損，同時摩擦產(chǎn)生熱量，通過熱傳導會使軸承溫度增加，從而損壞軸承，影響鼓風機的正常工作；軸向間隙過大，則會出現(xiàn)被壓縮后的氣體經(jīng)由間隙部分倒流回來的現(xiàn)象，導致風機效率降低、出力不足。現(xiàn)有的技術中，轉(zhuǎn)子端面與殼體端面之間的間隙都設計的較大，內(nèi)泄漏大，風機效率低。近年來，圍繞轉(zhuǎn)子端面密封開發(fā)了一些設備，如“羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面密封結(jié)構”(.4)、“一種用于燃料電池的羅茨氫循環(huán)泵端面密封結(jié)構”(.9)等。其中，“羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面密封結(jié)構”加工量大、密封條磨損后嚴重影響轉(zhuǎn)子使用壽命；“一種用于燃料電池的羅茨氫循環(huán)泵端面密封結(jié)構”，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子端面部分密封，減少了間隙泄漏，但轉(zhuǎn)子端面未填充區(qū)域形成了余隙容積，在不同角度旋轉(zhuǎn)過程中仍有較多氣體從高壓區(qū)向低壓區(qū)泄漏，密封也只是簡單停留在填塞方式實現(xiàn)，沒有將高速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時自身的離心力加以應用，也缺乏對密封條熱膨脹方面的考慮和應用，不能很好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)子端面密封。

　　技術實現(xiàn)要素：

　　本實用新型的目的在于提供一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構，可以有效降低端面間隙的泄漏量，提高羅茨鼓風機的效率。

　　本實用新型所采用的技術方案是：一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構，包括分別開設在羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子兩個端面上的密封槽，密封槽為環(huán)形且靠近羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面的邊沿，密封槽的外立面為向外側(cè)傾斜的傾斜面，密封槽內(nèi)配合有向外滑出并抵至羅茨鼓風機殼體內(nèi)壁的密封條，密封槽上沿羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面長徑和短徑的外側(cè)均開設有槽孔。

　　本實用新型的特點還在于，

　　密封條位于密封槽內(nèi)的部分與其大小相適應，密封條伸出密封槽的部分靠外一側(cè)向內(nèi)傾斜至與羅茨鼓風機殼體內(nèi)壁的夾角為銳角。

　　密封槽外立面相對于內(nèi)立面的傾斜角度為2°～35°。

　　密封槽垂直羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面的截面為直角梯形且下底開口。

　　密封條上靠近槽孔的位置均連接有與之相配合的凸塊。

　　本實用新型的有益效果是：本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構，羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時，通過向外滑出的密封條，使得羅茨鼓風機的端面間隙自動達到最小值，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和熱膨脹綜合應用，有效減少轉(zhuǎn)子端面與殼體端面之間的氣體泄漏；同時具備易加工和更換的特點，提高羅茨鼓風機的可靠性和風機效率。

　　附圖說明

　　圖1是本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構的結(jié)構示意圖；

　　圖2是本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構中密封條的結(jié)構示意圖；

　　圖3是本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構沿垂直羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面的截面圖；

　　圖4是羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構中密封條的受力方向圖；

　　圖5是羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子0°時的狀態(tài)圖；

　　圖6是羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子30°時的狀態(tài)圖。

　　圖中，1.羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子，2.密封槽，3.密封條，4.槽孔，5.凸塊，6.羅茨鼓風機殼體。

　　具體實施方式

　　下面結(jié)合附圖以及具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

　　本實用新型提供了一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構，如圖1和圖2所示，包括分別開設在羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1兩個端面上的密封槽2，密封槽2為環(huán)形且靠近羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1端面的邊沿，密封槽2的外立面為向外側(cè)傾斜的傾斜面，相對于內(nèi)立面傾斜角度為2°～35°，根據(jù)不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速選擇不同角度，高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子傾斜角度相應減小，密封槽2內(nèi)配合有向外滑出并抵至羅茨鼓風機殼體6內(nèi)壁的自潤滑材質(zhì)密封條3，密封條3位于密封槽2內(nèi)的部分與其大小相適應，密封條3伸出密封槽2的部分靠外一側(cè)向內(nèi)傾斜至與羅茨鼓風機殼體6內(nèi)壁的夾角為銳角。

　　密封槽2上沿羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1端面長徑和短徑的外側(cè)均開設有槽孔4，密封條3上靠近槽孔4的位置均連接有與之相配合的凸塊5，用于固定密封條3相對位置，實現(xiàn)密封條3因離心力和熱膨脹引起的變形均勻分布在羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1端面四周，減弱了局部磨損，降低了局部磨損的泄漏程度。

　　如圖3所示，密封槽2垂直羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1端面的截面為直角梯形且下底開口。

　　工作時，羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1高速旋轉(zhuǎn)時，如圖4所示，環(huán)形的密封條3受離心力f作用，f力的分力f1垂直于密封槽2斜面，f力的分力f2沿密封槽2斜面向外方向，將密封條3向外側(cè)甩，壓緊羅茨鼓風機內(nèi)側(cè)，進一步加強密封效果；密封條3發(fā)生部分磨損時，氣體泄漏量有所增大，密封條3受f2分力作用，降低氣體泄漏量；在高速轉(zhuǎn)子長時間運行溫度升高時，密封條3向外側(cè)膨脹，同樣提升密封效果。如圖3所示，羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1上伸出密封槽2的密封條3靠外一側(cè)與羅茨鼓風機殼體6內(nèi)壁夾角為銳角，即密封條3自身的夾角部位為鈍角，避免了羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1旋轉(zhuǎn)時(例如圖5和圖6所示的0°旋轉(zhuǎn)至30°)密封條3與羅茨鼓風機殼體6內(nèi)表面相接觸產(chǎn)生的密封條3尖角彎折，或出現(xiàn)被羅茨鼓風機殼體6內(nèi)表面夾帶出來的可能性；密封條3鈍角的設計同樣易于生產(chǎn)加工。

　　通過上述方式，本實用新型一種低泄漏量的羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子端面離心密封結(jié)構，羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1高速轉(zhuǎn)動時，通過向外滑出的密封條3，使得羅茨鼓風機的端面間隙自動達到最小值，最大程度上減少了羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子1端面泄漏，將余隙容積進一步減小，密封槽2外立面均為向外側(cè)傾斜的傾斜面，高速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的分力沿斜面向外，將密封條3向外側(cè)甩，從而加強密封效果，例如在密封條3發(fā)生部分磨損情況下，離心力的作用使得剩余部分的密封條3滑出并抵至羅茨鼓風機殼體6內(nèi)壁從而保證了密封效果；在高速轉(zhuǎn)子長時間運行溫度升高時，密封條3向外側(cè)膨脹，同樣提升密封效果；在轉(zhuǎn)子端面長徑和短徑密封槽2外側(cè)開有沿半徑方向槽孔4，用于固定密封條3相對位置，實現(xiàn)密封條3因離心力和熱膨脹引起的變形均勻分布在轉(zhuǎn)子端面四周，減弱了局部磨損，降低了局部磨損的泄漏程度。

燃料電池羅茨式鼓風機：一種用于燃料電池的羅茨空壓機的降噪裝置的制作方法

　　技術編號：

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　　本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的羅茨空壓機的降噪裝置。背景技術燃料電池汽車是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動力的汽車，而空壓機在燃料電池系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，但空壓機是一種強噪音設備，空壓機噪音聲級高，高頻突出，傳播距離遠，污染范圍大，特別是某些噪音的頻率與人的內(nèi)臟器官固有頻率相接近，容易引起共振后使人產(chǎn)生頭暈、惡心、心律過速、高血壓等癥狀。目前空壓機的降噪措施主要是在空壓機外設置吸音材料，但這種簡單的消音措施效果一般，尤其是空壓機排氣口的高速氣流在管道中會產(chǎn)生很大噪音，空壓機轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)量...

　　該技術已申請專利，請尊重研發(fā)人員的辛勤研發(fā)付出，在未取得專利權人授權前，僅供技術研究參考不得用于商業(yè)用途。

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燃料電池羅茨式鼓風機：燃料電池用空氣壓縮機（空壓機）發(fā)展現(xiàn)狀、技術路線及代表廠商分析

　　燃料電池是一種將燃料和氧氣結(jié)合起來產(chǎn)生電力的電化學裝置。因為其在將化學能轉(zhuǎn)化為電能的過程中產(chǎn)生的大部分是水，有害氣體較少，因此對環(huán)境污染較小。同時它的能量轉(zhuǎn)換由于不經(jīng)過燃燒，理論上轉(zhuǎn)換效率可達90%以上，實際可達到60%。燃料電池沒有機械傳動部件，因此也不會產(chǎn)生噪音。燃料電池系統(tǒng)負荷變動的適應能力也比火力發(fā)電強，燃料電池發(fā)電處理變動率可達每分鐘66%，調(diào)節(jié)范圍教大，應答速度快，運行平穩(wěn)。

　　燃料電池汽車八大核心部件構成

　　資料來源：公開資料

　　燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池堆、空氣循環(huán)系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)這五大系統(tǒng)構成。而空壓機則是空氣循環(huán)系統(tǒng)中的重要組成部分，燃料電池用的氧氣基本來源于空氣，而空氣則需要鼓風機（低壓燃料電池）或空壓機（高壓燃料電池）將空氣泵入燃料電池堆。同時空壓機還能利用消耗了部分氧氣排出反應堆的輸入氣體轉(zhuǎn)化的機械能，從而節(jié)省電能。

　　燃料電池整車成本構成

　　資料來源：立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心

　　燃料電池系統(tǒng)成本構成

　　資料來源：立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心

　　立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年版全球及中國空壓機行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢研究報告》數(shù)據(jù)顯示，目前燃料 電池的成本中占比最大的是燃料電池堆，占到總成本的61%，其次就是空氣循環(huán)系統(tǒng)，占到總成本的15%。而空壓機則是空氣循環(huán)系統(tǒng)中極為重要的組件之一，降低空壓機的成本可以在一定程度上降低空氣循環(huán)系統(tǒng)在燃料電池總成本中的比例，從而降低燃料電池總成本。

　　燃料電池汽車五大系統(tǒng)構成

　　資料來源：立鼎產(chǎn)業(yè)研究中心

　　燃料電池進氣工作示意圖

　　來源：豐田Mirai

　　燃料電池空壓機通過對進堆空氣進行增壓，可以提高燃料電池系統(tǒng)的效率和緊湊性。為使燃料電池保持良好的工作特性和工作效率，適用于燃料電池的空壓機還需要滿足以下幾點特性：

　　無油且有一定濕度：傳統(tǒng)壓縮機中往往使用潤滑油，但潤滑油會污染電堆內(nèi)芯，使電堆中毒降低反應活度。

　　較高能量轉(zhuǎn)換率：空壓機的效率會直接影響燃料電池的效率。高效的空壓機可以有效提高燃料電池的效率。

　　動態(tài)響應能力高：空壓機可以隨著需求功率變化及時調(diào)整輸出功率。

　　低噪聲：空壓機的噪聲是燃料電池噪聲的主要來源，因此需要盡可能減小空壓機的噪聲。

　　小型化且低成本：空壓機的體積、質(zhì)量和成本大大影響整個燃料電池的體積、質(zhì)量和成本，小型化且低成本的空壓機有利于未來燃料電池的發(fā)展，從而推動燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。

　　盡管國內(nèi)目前空壓機種類繁多，但缺少效率高而且能夠為燃料電池提供清潔無油氣體的空壓機，其中阻礙適用燃料電池的空壓機發(fā)展的最主要因素之一就是需要保證壓縮氣體絕對無油。由于燃料電池需要絕對無油的空氣這一特點，傳統(tǒng)的空氣壓縮機并不能用于燃料電池系統(tǒng)，因此需要開發(fā)燃料電池專用的無油壓縮機。

　　目前燃料電池系統(tǒng)使用的空壓機類型主要有離心式、渦旋式、螺桿式。離心式壓縮機效率較高，響應較快；渦旋式壓縮機效率也較高，噪聲低，質(zhì)量輕；螺桿式結(jié)構簡單較為可靠，都具有較好的發(fā)展前景。目前代表性車企使用的以離心式和羅茨式為主，其中離心式業(yè)界評價較高。

　　目前代表性燃料電池車企使用的空壓機類型

　　來源：公開資料i

　　離心式壓縮機在功率密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，被業(yè)界認為是較有前途的燃料電池空氣增壓方式之一。豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)目前是搭配的六葉螺桿羅茨式空壓機，由豐田自動織機公司開發(fā)。從目前國內(nèi)外研究發(fā)展方向來看，離心式和羅茨式空氣壓縮機或?qū)⑹墙窈笾髁鞯陌l(fā)展方向。同時，隨著燃料電池系統(tǒng)對空氣供應系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機與渦輪匹配工作也將成為燃料電池用空壓機未來發(fā)展的主要趨勢之一。

　　燃料電池空壓機技術路線對比

　　來源：公開資料i

燃料電池羅茨式鼓風機：燃料電池空壓機國產(chǎn)化揭秘 離心式或?qū)⒊蔀槲磥碇髁鳎?/h2>

　　來源：高工鋰電網(wǎng)

　　隨著國內(nèi)氫燃料電池汽車市場不斷擴大，圍繞燃料電池的核心零部件也在加快國產(chǎn)化替代的步伐，空壓機有望成為氫燃料電池系統(tǒng)輔件中最快實現(xiàn)突圍的零部件。

　　空壓機是燃料電池的“肺”

　　作為氫燃料電池系統(tǒng)供應鏈系統(tǒng)輔件(BOP)中的重要一環(huán)，空壓機相當于燃料電池的“肺”，它通過對進堆空氣進行增壓，從而提高燃料電池的功率密度和效率。

　　空壓機輸出的壓力和流量甚至在很大程度上可以直接影響燃料電池發(fā)動機中的化學計量比和空氣加濕特性，進而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發(fā)動機的功率輸出。

　　“燃料電池空壓機不同于常規(guī)空壓機，也有別于傳統(tǒng)發(fā)動機的電子增壓器，它應該是一個新物種。”國內(nèi)一家燃料電池電堆廠的技術負責人告訴高工氫電，適用于燃料電池的空壓機需要滿足絕對無油、低噪聲、高可靠性、高效、小型化、工作范圍寬、良好的動態(tài)響應能力、良好的熱管理、低成本等諸多嚴苛要求。

　　空壓機在做功過程中，效率、進出壓縮比是性能的重要指標，使用在燃料電池上，空壓機需要具備以下特性：

　　(1)在燃料電池的使用中的空壓機需要無油化，空壓機如果使用潤滑油，會致使電堆發(fā)生中毒，因此空壓機需要采用水潤滑軸承或空氣軸承。

　　(2)小型化及輕量化，提高空壓機的壓縮能力，可以通過增加容積，或者增加軸承轉(zhuǎn)速兩種方式，小型化高轉(zhuǎn)速是大勢所趨。

　　(3)乘坐車輛的舒適性需要低噪音，目前國內(nèi)的很多車輛噪音較大和空壓機密切相關，噪音源主要來自于空氣與管道之間的摩擦以及空壓機高機械轉(zhuǎn)動的聲音及轉(zhuǎn)動的聲音。

　　(4)規(guī)模化后成本可控，燃料電池受其功率密度和成本的限制，小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。

　　(5)控制系統(tǒng)，車輛對需要功率變化較大，空壓機需要能夠及時地做出響應，對空氣流量進行控制。

　　而根據(jù)燃料電池的空氣進氣壓力，燃料電池可分為低壓(30kPa)、中壓(60-100kPa)和高壓(150-300kPa)燃料電池。低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無人機等領域；而中壓燃料電池一般應用于客車、物流車等交通領域；乘用車一般配置高壓燃料電池。

　　因此，針對不同的燃料電池系統(tǒng)的性能需求，往往需要不同的空氣壓縮機與其匹配，目前常用的空壓機類型有螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等不同類型。

　　另一方面，對于氫燃料電池來說，由于質(zhì)子交換膜需要保持良好的工作特性，這就要求供氣系統(tǒng)供給燃料電池堆的壓縮空氣必須絕對干凈，因此，對空壓機技術要求十分高。

　　離心式空壓機是氫燃料電池的發(fā)展趨勢

　　2021年起，國內(nèi)燃料電池空壓機供應商逐漸增多，不過供應的產(chǎn)品大多適用于商用車領域，乘用車領域的空壓機要求的壓比更高，依然以國外采購為主。

　　從目前國內(nèi)的氫燃料電池市場來看，螺桿式空壓機所占市場份額相對較多，但現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的燃料電池電堆和系統(tǒng)廠商開始替換離心式空壓機。

　　“今年年初到現(xiàn)在我們已經(jīng)供貨100多臺了，全部是離心式空壓機。”國內(nèi)一家空壓機企業(yè)高層向高工氫電透露，燃料電池企業(yè)對空壓機的接受度正在逐步提高，特別是離心式空壓機。

　　從目前市場情況來說，有抱負的主機廠面臨的最大的問題就是降成本的問題，考慮開發(fā)成本、市場規(guī)模和管理等綜合因素，離心壓縮機的成本最高，但是由于其結(jié)構緊密的特性，體量最小，物理結(jié)構決定，在未來大批量條件下，其成本下降空間最大。

　　“隨著燃料電池系統(tǒng)對空氣供應系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機或?qū)⒊蔀槿剂想姵赜每諌簷C未來發(fā)展的主要趨勢。”廣東一家燃料電池企業(yè)的技術總監(jiān)認為，從高效、小型化和降噪方面考慮，離心式空壓機更符合未來的需求。

　　值得注意的是，離心式空壓機在低流量時會發(fā)生喘振現(xiàn)象，這將嚴重影響系統(tǒng)的性能和空壓機的使用壽命。

　　對于有些燃料電池廠商來說，國產(chǎn)空壓機在可靠性和使用壽命上還缺乏足夠的驗證，因此在實際的裝車運營方面還是以進口產(chǎn)品為主。

　　國產(chǎn)VS進口 可靠性和售后服務的比拼

　　從國外情況來看，霍尼韋爾(蓋瑞特)在空壓機的技術上表現(xiàn)突出，在功率密度、效率、噪聲等方面都有很好的表現(xiàn)，其空壓機主要供貨本田。但在國內(nèi)市場，UQM獨占鰲頭，根據(jù)相關公開資料，去年UQM曾在中國市場收獲了300萬美元的空壓機訂單。

　　除此以外，還有Fisher、Hanon、TNE、Vairex等公司能供應燃料電池空壓機產(chǎn)品。

　　“目前世界范圍內(nèi)，尚未有完全成熟的、完全滿足用戶要求的產(chǎn)品。國外的某些廠家起步稍早，國內(nèi)外空壓機技術水平有一定的距離，但這個距離是我們可以努力追上的。”在談到跟國外的差距時，上述空壓機企業(yè)高層表示。

　　據(jù)了解，國內(nèi)一些傳統(tǒng)領域的空壓機廠，由于自身有技術儲備，在燃料電池蓄勢待發(fā)的過程中，已經(jīng)開始了對空壓機的研發(fā)和樣機測試。還有一部分企業(yè)長期從事氣體壓縮領域的工作，通過人才引進及其他方式也制造了屬于自己的空壓機。

　　根據(jù)相關調(diào)研數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)有近10家空壓機企業(yè)在給燃料電池企業(yè)送樣做配套，其中，有好幾家已經(jīng)在小批量供貨。

　　從世界范圍內(nèi)空壓機技術路線來看，螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式各種技術路線百家爭鳴，但從中國市場來看，未來使用離心式空壓機是主流意見，但是最終大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化來臨之前，還需要繼續(xù)完善。

　　據(jù)行業(yè)人士透露，目前單購一臺30KW的進口空壓機價格在12萬左右，單購一臺國產(chǎn)空壓機只需8萬左右，如果是批量采購，價格則會降低一倍以上。

　　“目前來看，國產(chǎn)空壓機最大的優(yōu)勢在于性價比和售后服務。”國內(nèi)一家燃料電池系統(tǒng)企業(yè)負責人認為，目前依賴進口核心部件中，空壓機率先進行國產(chǎn)化的可能性很大，在試運營階段問題還不大，但要滿足未來大批量需求，還要在可靠性和使用壽命上下功夫。

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