CH705013A1

CH705013A1 - Vane Expander.

Info

Publication number: CH705013A1
Application number: CH00915/11A
Authority: CH
Inventors: Dr Bouzid Seba; Dr Gerd Schlager
Original assignee: Liebherr Machines Bulle Sa
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-11-30
Also published as: EP2527590B1; EP2527590A3; EP2527590A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse, einem Einlass und einem Auslass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Gemäss einem ersten Aspekt ist dabei vorgesehen, dass die Innenkontur des Gehäuses zwei oder mehr Hubbereiche aufweist, welche mit dem Einlass für das gasförmige Medium so in Verbindung stehen, dass während des Betriebs des Energierückgewinnungssystems das gasförmige Medium gleichzeitig in den zwei oder mehr Hubbereichen expandiert.The present invention relates to a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing, an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor arranged in the housing. According to a first aspect, it is provided that the inner contour of the housing has two or more stroke areas, which communicate with the inlet for the gaseous medium so that during operation of the energy recovery system, the gaseous medium expands simultaneously in the two or more Hubbereichen.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse, einem Einlass und einem Auslass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. The present invention relates to a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing, an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor disposed in the housing.

[0002] Solche Flügelzellenexpander können beispielsweise in Energierückgewinnungssystemen eingesetzt werden, um aus der Abwärme einer Anlage mechanische Energie durch den Antrieb des Flügelzellenexpanders zu erzeugen. Diese kann dann beispielsweise zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Such vane expanders can be used for example in energy recovery systems to generate mechanical energy from the waste heat of a plant by driving the vane cell expander. This can then be used, for example, to generate electricity.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dabei, einen Flügelzellenexpander zur Verfügung zu stellen, welcher für den Einsatz mit einem gasförmigen Medium optimiert ist. Object of the present invention is to provide a vane cell expander, which is optimized for use with a gaseous medium.

[0004] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Ansprüche 1, 4, 6, 8 und 11 in mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung gelöst. According to the invention, this object is achieved by the claims 1, 4, 6, 8 and 11 in several aspects of the present invention.

[0005] Gemäss einem ersten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung dabei einen Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse, einem Einlass und einem Auslass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass die Innenkontur des Gehäuses zwei oder mehr Hubbereiche aufweist, welche mit dem Einlass für das gasförmige Medium so in Verbindung stehen, dass während des Betriebs des Energierückgewinnungssystems das gasförmige Medium gleichzeitig in den zwei oder mehr Hubbereichen expandiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Innenkontur dabei genau zwei Hubbereiche auf. According to a first aspect, the present invention comprises a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing, an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor arranged in the housing. According to the invention, it is provided that the inner contour of the housing has two or more stroke areas, which communicate with the inlet for the gaseous medium in such a way that the gaseous medium simultaneously expands in the two or more stroke areas during operation of the energy recovery system. In a particularly preferred embodiment, the inner contour has exactly two stroke ranges.

[0006] Der erfindungsgemässe zwei- oder mehrhubige Flügelzellenexpander hat dabei den Vorteil, dass die im Betrieb auf den Rotor wirkenden thermischen und mechanischen Belastungen nicht mehr einseitig nur auf eine Seite des Rotors wirken. Hierdurch wird die Lebensdauer und Laufruhe des Rotors erheblich verbessert. The inventive two-or multi-stroke vane expander has the advantage that the thermal and mechanical loads acting on the rotor during operation no longer act on one side only on one side of the rotor. As a result, the life and smoothness of the rotor is significantly improved.

[0007] Vorteilhafterweise erstrecken sich die einzelnen Hubbereiche dabei jeweils über gleich grosse Drehwinkelbereiche des Rotors. Bei zwei Hubbereichen erstreckt sich dabei jeder Hubbereich jeweils über 180°, bei drei Hubbereichen über 120°, usw. Advantageously, the individual Hubbereiche each extend over equal rotation angle ranges of the rotor. With two stroke ranges, each stroke range extends in each case over 180 °, with three stroke ranges above 120 °, etc.

[0008] Weiterhin vorteilhafterweise kann die Innenkontur des Gehäuses für alle Hubbereiche identisch ausgeführt sein. Hierdurch wird eine besonders gleichmässige Belastung des Rotors erreicht. Further advantageously, the inner contour of the housing can be made identical for all stroke ranges. As a result, a particularly uniform load of the rotor is achieved.

[0009] Alternativ oder zusätzlich können auch die Steuerschlitze des Gehäuses für alle Hubbereiche identisch ausgeführt sein. Dies sorgt dafür, dass alle Hubbereiche des Flügelzellenexpanders synchron angesteuert werden. Alternatively or additionally, the control slots of the housing can be made identical for all stroke ranges. This ensures that all stroke ranges of the vane cell expander are controlled synchronously.

[0010] In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Flügelzellenexpanders ist die Innenkontur des Gehäuses im Hinblick auf den jeweils einem Hub zugeordneten Drehbereich asymmetrisch ausgeführt. Die einzelnen Hubbereiche sind damit in sich jeweils nicht kreisbogenförmig. Insbesondere hat dies den Vorteil, dass die Expansionsphase des Flügelzellenexpanders vergrössert werden kann. In a particularly preferred embodiment of the inventive vane cell expander, the inner contour of the housing with respect to the respective hub associated rotation range is asymmetrical. The individual Hubbereiche are thus not circular arc in itself. In particular, this has the advantage that the expansion phase of the vane cell expander can be increased.

[0011] Insbesondere macht dabei der der Expansionsphase zugeordnete Drehbereich mehr als 50 % des dem Jeweiligen Hub zugeordneten Gesamtdrehbereichs des Rotors aus. Besonders bevorzugt macht der der Expansionsphase zugeordnete Drehbereich dabei mehr als 60%, weiterhin vorteilhafterweise mehr als 75% des dem jeweiligen zugeordneten Gesamtdrehbereichs des Rotors aus. In particular, the phase of rotation associated with the expansion phase makes more than 50% of the total rotation range of the rotor associated with the respective stroke. Particularly preferably, the range of rotation associated with the expansion phase makes up more than 60%, moreover advantageously more than 75% of the respective associated total rotational range of the rotor.

[0012] In einem zweiten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung einen Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse, einem Einlass und einem Auslass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass die Flügel auf ihrer dem Gehäuse abgewandten Seite durch einen Zwangsführungsring geführt sind. Der Zwangsführungsring sorgt dabei insbesondere dafür, dass die Flügel immer mit der Innenkontur des Gehäuses in Kontakt sind. Vorteilhafterweise ist der Zwangsführungsring hierfür fest mit dem Gehäuse verbunden, und zwingt die mit dem Rotor mit rotierenden Flügel des Rotors so in eine Position, in welcher sie mit ihren Aussenkanten mit der Innenkontur des Gehäuses in Kontakt stehen. Insbesondere kann dabei auf eine gefederte Lagerung der Flügel verzichtet werden. In a second aspect, the present invention comprises a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing, an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor disposed in the housing. According to the invention it is provided that the wings are guided on their side facing away from the housing by a positive guide ring. The positive guide ring ensures in particular that the wings are always in contact with the inner contour of the housing. Advantageously, the positive guide ring for this purpose is firmly connected to the housing, and forces the rotor with the rotating wing of the rotor so in a position in which they are in contact with their outer edges with the inner contour of the housing. In particular, it is possible to dispense with a sprung mounting of the wings.

[0013] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dabei berücksichtigt, dass die Kontaktbereiche der Flügel mit der Innenkontur des Gehäuses einen Krümmungsradius grösser Null haben, so dass sich die Kontaktlinie der Flügel mit der Innenkontur bei der Drehbewegung des Rotors auf dem Krümmungsradius der Kontaktbereiche verschiebt. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass der Zwangsführungsring eine Kontur aufweist, welche diese Verschiebung berücksichtigt. In a particularly preferred embodiment is taken into account that the contact areas of the wings with the inner contour of the housing have a radius of curvature greater zero, so that shifts the line of contact of the wing with the inner contour in the rotational movement of the rotor on the radius of curvature of the contact areas. Advantageously, it is provided that the positive guide ring has a contour which takes into account this shift.

[0014] Der radiale Abstand zwischen der Aussenkontur des Zwangsführungsrings und der Innenkontur des Gehäuses ist damit anders als im Stand der Technik nicht für alle Radien identisch, da in diesem Fall die sich verschiebende Kontaktlinie der Kontaktbereiche der Flügel mit der Innenkontur des Gehäuses für unterschiedliche Spaltbreiten je nach Stellung des Rotors führen würde. Vielmehr ist der Zwangsführungsring vorteilhafterweise so geformt, dass der radiale Abstand zwischen Innenkontur des Gehäuses und Zwangsführungsring sich mit dem Drehwinkel so ändert, dass in jeder Drehposition ein optimaler Kontakt dem Kontaktbereich des Flügels und der Innenkontur des Gehäuses besteht. The radial distance between the outer contour of the positive guide ring and the inner contour of the housing is thus different than in the prior art is not identical for all radii, since in this case the shifting contact line of the contact areas of the wings with the inner contour of the housing for different gap widths depending on the position of the rotor would lead. Rather, the positive guide ring is advantageously shaped so that the radial distance between the inner contour of the housing and forced guide ring changes with the angle of rotation so that in each rotational position an optimal contact the contact area of the wing and the inner contour of the housing.

[0015] In einem dritten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung einen Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse, einem Einlass und einem Auslass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass an Stirnflächen des Rotors zwischen den Flügeln Dichtungssegmente eines Dichtungsringes zur seitlichen Abdichtung mit dem Gehäuse angeordnet sind. Die Dichtungssegmente erlauben dabei eine besonders gute Abdichtung der Stirnflächen des Rotors mit den Stirnflächen des Gehäuses. In a third aspect, the present invention comprises a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing, an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor disposed in the housing. According to the invention, it is provided that at the end faces of the rotor between the wings sealing segments of a sealing ring for lateral sealing with the housing are arranged. The sealing segments allow a particularly good sealing of the end faces of the rotor with the end faces of the housing.

[0016] Vorteilhafterweise weisen die Stirnflächen hierfür Aussparungen auf, in welchen die Dichtungssegmente angeordnet sind. Weiterhin vorteilhafterweise weisen die Stirnflächen des Rotors hierfür eine Ringnut auf, in welcher die einzelnen Segmente so angeordnet sind, dass sie insgesamt einen Dichtungsring bilden. Advantageously, the end faces for this purpose recesses, in which the sealing segments are arranged. Further advantageously, the end faces of the rotor for this purpose have an annular groove in which the individual segments are arranged so that they form a total of a sealing ring.

[0017] Weiterhin vorteilhafterweise reichen die einzelnen Flügel jedoch von einer Stirnseite des Gehäuses bis zur gegenüberliegenden Stirnseite und trennen damit die einzelnen Segmente voneinander. Further advantageously, however, the individual wings extend from one end face of the housing to the opposite end face and thus separate the individual segments from each other.

[0018] Weiterhin vorteilhafterweise sind Druckmittel vorgesehen, welche die Dichtungssegmente gegen das Gehäuse drücken. Hierdurch wird eine nochmals verbesserte Abdichtung ermöglicht. Weiterhin kann hierdurch unterschiedlichen Grössenausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Rotor Rechnung getragen werden. Further advantageously, pressure means are provided which press the sealing segments against the housing. This allows a further improved sealing. Furthermore, this allows different size expansion coefficients of the housing and the rotor are taken into account.

[0019] In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Druckmittel dabei eine Feder, welche die Dichtungssegmente gegen das Gehäuse drückt. In a first advantageous embodiment, the pressure means comprise a spring which presses the sealing segments against the housing.

[0020] In einer zweiten Ausgestaltung können die Druckmittel einen Druckkanal umfassen, welcher die Rückseite der Segmente mit Druck aus der dem Segment zugeordneten Druckkammer beaufschlagt und hierdurch gegen das Gehäuse drückt. Dies hat den Vorteil, dass der Anpressdruck der Dichtungssegmente abhängig vom Druck in der jeweiligen Druckkammer ist und damit mit steigendem Druck in der Druckkammer zunimmt. In a second embodiment, the pressure means may comprise a pressure channel which acts on the back of the segments with pressure from the pressure chamber associated with the segment and thereby presses against the housing. This has the advantage that the contact pressure of the sealing segments is dependent on the pressure in the respective pressure chamber and thus increases with increasing pressure in the pressure chamber.

[0021] Gemäss einem vierten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung einen Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse, einem Einlass und einem Auslass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass der Rotor aus zwei oder mehr Rotorabschnitten besteht, welche nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse sitzen und jeweils durch eine Druckplatte voneinander getrennt sind. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse aus zwei oder mehr Gehäuseabschnitten besteht, weiche in Axialrichtung des Rotors nebeneinander angeordnet sind und den Rotor umgeben. Durch einen solchen Aufbau des Rotors bzw. des Gehäuses aus mehreren Abschnitten kann der Hubraum des Flügelzellenexpanders problemlos durch die Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Abschnitten auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. According to a fourth aspect, the present invention comprises a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing, an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor arranged in the housing. According to the invention it is provided that the rotor consists of two or more rotor sections which sit side by side on a common axis and are separated from each other by a pressure plate. Alternatively or additionally, it can be provided that the housing consists of two or more housing sections, which are arranged side by side in the axial direction of the rotor and surround the rotor. By such a structure of the rotor or the housing of several sections, the displacement of the vane cell expander can be easily adjusted by the use of a corresponding number of sections to a desired value.

[0022] Vorteilhafterweise sind dabei die Rotorabschnitte und/oder Gehäuseabschnitte identisch ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass jeder Gehäuseabschnitt die gleiche Innenkontur aufweist. Die Verwendung mehrerer gleichartiger Rotorabschnitte bzw. Gehäuseabschnitte erlaubt so eine besonders kostensparende Konstruktion des Flügelzellenexpanders. Advantageously, the rotor sections and / or housing sections are identical. Alternatively or additionally, it can be provided that each housing section has the same inner contour. The use of a plurality of similar rotor sections or housing sections thus allows a particularly cost-saving construction of the vane cell expander.

[0023] Vorteilhafterweise ist die Achse des Rotors dabei sowohl an den äusseren Stirnseiten des Gehäuses, als auch an den Druckplatten gelagert. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Gehäuseabschnitte mit den dazwischen liegenden Druckplatten in Verbindung stehen. Advantageously, the axis of the rotor is mounted both on the outer end sides of the housing, as well as on the printing plates. Furthermore, it can be provided that the individual housing sections are in communication with the printing plates located therebetween.

[0024] Die vorliegende Erfindung umfasst dabei insbesondere einen Flügelzellenexpander, bei welchem mindestens drei Rotorabschnitte vorgesehen sind, wobei das Gehäuse zur Ansteuerung mindestens eines der innen liegenden Rotorabschnitte Steuerschlitze im Umfangsbereich aufweist. Die aussen liegenden Rotorabschnitte können dagegen auch über Steuerschlitze im Bereich der Stirnseiten des Gehäuses angesteuert werden. Alternativ können jedoch auch diese Rotorabschnitte über Steuerschlitze im Umfangsbereich angesteuert werden, um den Fertigungsaufwand für unterschiedliche Gehäuse zu minimieren. The present invention comprises in particular a vane cell expander, wherein at least three rotor sections are provided, wherein the housing for controlling at least one of the inner rotor sections has control slots in the peripheral region. The outer rotor sections, however, can also be controlled via control slots in the region of the end faces of the housing. Alternatively, however, these rotor sections can be controlled via control slots in the peripheral region in order to minimize the production costs for different housings.

[0025] Weiterhin vorteilhafterweise sind die Gehäuse dabei so aufgebaut, dass die einzelnen Rotorabschnitte und hierdurch gebildeten Flügelzellenexpanderabschnitte identisch angesteuert werden. Further advantageously, the housing are constructed so that the individual rotor sections and thus formed Flügelzellenexpanderabschnitte are driven identically.

[0026] Gemäss einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst diese einen Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse, einem Einlass und einem Ausmass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Dabei ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Rotor des Flügelzellenexpanders über Kugellager mit Keramikkugeln gelagert ist. Dies ermöglicht insbesondere eine schmierungsfreien Lagerung des Rotors, da die Keramikkugeln auch ohne eine Ölschmierung durch das gasförmige Medium ausreichend geschmiert werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Die Lagerschienen der Kugellager bestehen dabei vorteilhafterweise aus Stahl. According to a fifth aspect of the present invention, this comprises a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, having a housing, an inlet and a dimension for the gaseous medium and a rotor arranged in the housing. It is provided according to the invention that the rotor of the vane cell expander is mounted on ball bearings with ceramic balls. This allows in particular a lubrication-free mounting of the rotor, since the ceramic balls are sufficiently lubricated even without oil lubrication by the gaseous medium to ensure reliable operation. The bearing rails of the ball bearings are advantageously made of steel.

[0027] In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind weiterhin zwei oder mehr der oben beschriebenen fünf Aspekte der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert. In particularly advantageous embodiments of the present invention, two or more of the above-described five aspects of the present invention are further combined.

[0028] Insbesondere kann die bessere radiale Abdichtung gemäss dem zweiten Aspekt mit der besseren seitlichen Abdichtung gemäss dem dritten Aspekt kombiniert werden, um so die für die Verwendung mit einem gasförmigen Medium benötigte Dichtigkeit zu erreichen. In particular, the better radial seal according to the second aspect can be combined with the better lateral seal according to the third aspect so as to achieve the tightness required for use with a gaseous medium.

[0029] Weiterhin kann die Form des Gehäuses gemäss dem ersten Aspekt mit den besseren Abdichtmöglichkeiten gemäss dem zweiten und/oder dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kombiniert werden. So können durch die erfindungsgemässe Form ggf. bedingte ungünstige Druckwechselbedingungen ausgeglichen werden. Furthermore, the shape of the housing according to the first aspect can be combined with the better Abdichtmöglichkeiten according to the second and / or third aspect of the present invention. Thus, if necessary unfavorable pressure change conditions can be compensated by the inventive form.

[0030] Weiter kann der modulare Aufbau gemäss dem vierten Aspekt mit der erfindungsgemässen Form des Gehäuses gemäss dem ersten Aspekt und/oder der verbesserten Dichtigkeit gemäss dem zweiten und/oder dritten Aspekt kombiniert werden, um so mit vertretbaren Kosten unterschiedliche Hubvolumina zu realisieren. Further, the modular structure according to the fourth aspect can be combined with the inventive shape of the housing according to the first aspect and / or the improved tightness according to the second and / or third aspect so as to realize different stroke volumes at a reasonable cost.

[0031] Weiterhin kann die Lagerung des Rotors gemäss dem fünften Aspekt bei Flügelzellenrotoren gemäss allen anderen Aspekten eingesetzt werden, um eine schmierungsfreie Lagerung zu realisieren. Furthermore, the bearing of the rotor according to the fifth aspect in vane rotors according to all other aspects can be used to realize a lubrication-free storage.

[0032] Selbstverständlich können dabei auch drei, vier oder alle fünf Aspekte der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert werden. Of course, three, four or all five aspects of the present invention can be combined with each other.

[0033] Der allgemeine Aufbau und die Funktion eines Flügelzellenexpanders gemäss einem der oben beschriebenen Aspekte der vorliegenden Erfindung soll nun noch einmal kurz dargestellt werden: The general structure and function of a vane cell expander according to one of the above-described aspects of the present invention will now be briefly illustrated again:

[0034] Der Flügelzellenexpander weist ein Gehäuse, einen Einlass und einen Auslass für das gasförmige Medium und einen im Gehäuse angeordneten Rotor auf. Dabei sind in dem Rotor Schlitze vorgesehen, in weichen Flügelscheiben verschieblich gelagert sind. Die einzelnen Kammern bzw. Flügelzellen des Flügelzellenexpanders werden damit durch die Aussenkontur des Rotors, die Innenkontur des Gehäuses, sowie jeweils benachbarte Flügelscheiben gebildet. Bei einer Drehbewegung des Rotors folgen die einzelnen Flügel dabei der Innenkontur des Gehäuses und werden in den Führungsschlitzen des Rotors auf und ab bewegt. Ein Hubbereich eines Expanders entspricht dabei dem Drehbereich der Aussenkontur, in welchem ein Flügel von einer vollkommen eingefahrenen Stellung in eine vollkommen ausgefahrene Stellung und wieder zurück bewegt wird. Im Betrieb strömt damit das gasförmige Medium durch den Einlass über Steuerschlitze des Gehäuses unter Druck in die Flügelzellen, expandiert dort unter Bewegung des Rotors und strömt dann über weitere Steuerschlitze des Gehäuses zum Auslass. The vane cell expander has a housing, an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor arranged in the housing. In this case, slits are provided in the rotor, are slidably mounted in soft wing discs. The individual chambers or vane cells of the vane cell expander are thus formed by the outer contour of the rotor, the inner contour of the housing, and in each case adjacent wing discs. During a rotational movement of the rotor, the individual wings follow the inner contour of the housing and are moved up and down in the guide slots of the rotor. A stroke range of an expander corresponds to the range of rotation of the outer contour, in which a wing is moved from a fully retracted position to a fully extended position and back again. During operation, the gaseous medium thus flows through the inlet via control slots of the housing under pressure into the vane cells, where it expands with movement of the rotor and then flows via further control slots of the housing to the outlet.

[0035] Der Flügelzellenexpander gemäss der vorliegenden Erfindung weist vorteilhafterweise mehr als vier, weiterhin vorteilhafterweise sechs oder mehr Flügel auf. Die Anzahl der Flügel kann dabei weniger als 20, weiterhin vorteilhafterweise weniger als 15 Flügel betragen. Vorteilhafterweise sind die Flügel dabei mit jeweils identischen Drehwinkelabständen um den Rotor angeordnet. The vane cell expander according to the present invention advantageously has more than four, more advantageously advantageously six or more vanes. The number of wings can be less than 20, more advantageously less than 15 wings. Advantageously, the wings are arranged in each case with identical rotational angular distances around the rotor.

[0036] Die Steuerschlitze, welche die Flügelzellen mit dem Einlass für das gasförmige Medium verbinden, sind dabei vorteilhafterweise im Umfangsbereich des Rotors angeordnet, d.h. im Bereich der dem Rotor zugewandten Innenkontur. Die Steuerschlitze, welche die Flügelzellen mit dem Auslass für das gasförmige Medium verbinden, sind dagegen vorteilhafterweise im Bereich der Stirnseiten angeordnet. The control slots, which connect the vane cells with the inlet for the gaseous medium, are advantageously arranged in the peripheral region of the rotor, i. in the region of the inner contour facing the rotor. The control slots, which connect the vane with the outlet for the gaseous medium, however, are advantageously arranged in the region of the end faces.

[0037] Weiterhin kann das Gehäuse dabei aus stirnseitigen Deckelabschnitten und einem zwischen diesen angeordneten Mantelbereich aufgebaut sein. Vorteilhafterweise sind dabei die Steuerschlitze zur Verbindung mit dem Einlass im Mantelbereich angeordnet, die Steuerschlitze zur Verbindung mit dem Auslass In einem oder beiden Deckelabschnitten. Furthermore, the housing can be constructed of frontal cover sections and a jacket region arranged between them. Advantageously, the control slots are arranged for connection to the inlet in the jacket area, the control slots for connection to the outlet in one or both lid sections.

[0038] Neben den oben beschriebenen Flügelzellenexpandern gemäss den fünf Aspekten der vorliegenden Erfindung umfasst diese weiterhin ein Energierückgewinnungssystemen mit einem solchen Flügelzellenexpander. In addition to the above-described vane cell expanders according to the five aspects of the present invention, this further includes an energy recovery system comprising such a vane cell expander.

[0039] Selbstverständlich sind dabei auch im Hinblick auf das Energierückgewinnungssystem Kombinationen der fünf Aspekte der vorliegenden Erfindung möglich, wie dies bereits oben Im Hinblick auf die Flügelzellenexpander dargestellt wurde. Of course, combinations of the five aspects of the present invention are also possible with regard to the energy recovery system, as has already been described above with regard to the vane cell expanders.

[0040] Das Energierückgewinnungssystem kann dabei einen Fluidkreislauf aufweisen, in welchem ein Medium zirkuliert, welches im Expander expandiert. Das Energierückgewinnungssystem kann dazu eingesetzt werden, um thermische Energie über den Flügelzellenexpander in mechanische Wellenleistung umzuwandeln. The energy recovery system can have a fluid circuit in which a medium circulates, which expands in the expander. The energy recovery system can be used to convert thermal energy via the vane cell expander into mechanical wave power.

[0041] Das Energierückgewinnungssystem kann dabei eine Pumpe, einen Wärmetauscher, den Flügelzellenexpander sowie einen Kondensator aufweisen. Die Pumpe wird dabei dazu eingesetzt, um den Druck des Mediums im Kreislauf zu erhöhen. Im Wärmetauscher wird das Medium dann erwärmt, verdampft und überhitzt. Die Expansionsphase des nun gasförmigen Mediums findet im Flügelzellenexpander statt. Hierbei wird an einer Abtriebswelle des Expanders mechanische Leistung abgegeben. Danach wird das Fluid im Kondensator gekühlt und verflüssigt. The energy recovery system may include a pump, a heat exchanger, the vane cell expander and a capacitor. The pump is used to increase the pressure of the medium in the circuit. In the heat exchanger, the medium is then heated, evaporated and superheated. The expansion phase of the now gaseous medium takes place in the vane cell expander. In this case, mechanical power is delivered to an output shaft of the expander. Thereafter, the fluid in the condenser is cooled and liquefied.

[0042] Als Medium kann dabei insbesondere eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt zwischen 50 °C und 120 °C eingesetzt werden, beispielsweise Wasser, ein Alkohol wie bspw. Ethanol und/oder R245. As a medium, in particular a liquid having a boiling point between 50 ° C and 120 ° C can be used, for example water, an alcohol such as, for example, ethanol and / or R245.

[0043] Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemässen Energierückgewinnungssystems, wie es oben beschrieben wurde. Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass ein gasförmiges Medium in den Flügelzellenexpander strömt und dort unter Abgabe von mechanischer Energie expandiert. Vorteilhafterweise arbeitet das erfindungsgemässe Energierückgewinnungssystem dabei nach dem Clausius-Rankine-Prinzip. The present invention further comprises a method for operating an energy recovery system according to the invention, as described above. According to the invention, it is provided that a gaseous medium flows into the vane cell expander and expands there, releasing mechanical energy. Advantageously, the inventive energy recovery system works according to the Clausius-Rankine principle.

[0044] Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Energierückgewinnungssystems nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass die Aussenkontur des Zwangsführungsringes unter Berücksichtigung der Verschiebung der Kontaktlinie ermittelt wird. Insbesondere kann hierdurch berücksichtigt werden, dass die Kontaktbereiche der Flügel mit der Innenkontur des Gehäuses üblicherweise einen Krümmungsradius grösser Null haben, so dass sich die Kontaktlinie der Flügel mit der Innenkontur des Gehäuses bei der Drehbewegung des Rotors verschiebt und hierdurch der radiale Abstand zwischen der Innenkontur des Gehäuses und der Aussenkontur des Zwangsführungsringes nicht mit dem tatsächlichen Abstand zwischen den beiden Kontaktlinien des Flügels mit der Innenkontur des Gehäuses und der Aussenkontur des Zwangsführungsrings übereinstimmt. The present invention further includes a method of manufacturing an energy recovery system according to the second aspect of the present invention. According to the invention it is provided that the outer contour of the positive guide ring is determined taking into account the displacement of the contact line. In particular, this can be taken into account that the contact areas of the wings with the inner contour of the housing usually have a radius of curvature greater than zero, so that shifts the line of contact of the wing with the inner contour of the housing during the rotational movement of the rotor and thereby the radial distance between the inner contour of the Housing and the outer contour of the positive guide ring does not match the actual distance between the two contact lines of the wing with the inner contour of the housing and the outer contour of the positive guide ring.

[0045] Erfindungsgemäss wird dies nun bei der Ermittlung der gewünschten Aussenkontur des Zwangsführungsringes berücksichtigt. Hierdurch kann der Abstand zwischen den beiden Kontaktlinien exakt auf das gewünschte Mass eingestellt werden. According to the invention, this is now taken into account in determining the desired outer contour of the positive guide ring. As a result, the distance between the two contact lines can be set exactly to the desired level.

[0046] Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Energierückgewinnungssystems mit einem Flügelzellenexpander zur Erzeugung mechanischer Energie aus der Expansion eines gasförmigen Mediums, wobei der Flügelzellenexpander einen Einlass und einen Auslass für das gasförmige Medium, ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Rotor aufweist. Erfindungsgemäss ist dabei vorgesehen, dass je nach gewünschtem Hubvolumen der Rotor aus einem, zwei oder mehr Rotorabschnitten aufgebaut wird, welche, wenn zwei oder mehr Rotorabschnitte eingesetzt werden, nebeneinander auf eine gemeinsamen Achse gesetzt und jeweils durch eine Druckplatte voneinander getrennt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass auch das Gehäuse aus mehreren Gehäuseabschnitten aufgebaut ist, welche, wenn zwei oder mehr Gehäuseabschnitte eingesetzt werden, in Axialrichtung des Rotors nebeneinander angeordnet und mit einer Druckplatte verbunden werden. Insbesondere dient das Verfahren dabei zur Herstellung eines Energierückgewinnungssystem gemäss dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung. The present invention further includes a method of making an energy recovery system having a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, the vane expander having an inlet and an outlet for the gaseous medium, a housing and a rotor disposed in the housing , According to the invention, it is provided that, depending on the desired stroke volume, the rotor is constructed from one, two or more rotor sections which, when two or more rotor sections are used, are placed side by side on a common axis and separated from each other by a pressure plate. Alternatively or additionally, it can be provided that the housing is also constructed from a plurality of housing sections which, when two or more housing sections are used, are arranged next to one another in the axial direction of the rotor and connected to a pressure plate. In particular, the method is used to produce an energy recovery system according to the fourth aspect of the present invention.

[0047] Die einzelnen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen sowie Zeichnungen näher beschrieben. The individual aspects of the present invention will now be described in more detail with reference to embodiments and drawings.

[0048] Dabei zeigen: <tb>Fig. 1:<sep>eine Prinzipdarstellung eines Energierückgewinnungssystems, in welchem ein erfindungsgemässer Flügelzellenexpander zum Einsatz kommen kann, <tb>Fig. 2:<sep>ein p-V-Diagramm zum Betrieb eines solchen Energierückgewinnungssystems gemäss dem Clausius-Rankine-Prinzips, <tb>Fig. 3:<sep>ein Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung, bei welchem der Flügelzellenexpander zwei oder mehr Hubbereiche aufweist, wobei hier einer dieser Hubbereiche mit einer asymmetrischen Innenkontur des Gehäuses dargestellt ist, <tb>Fig. 4:<sep>ein Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung, bei welchem ein Zwangsführungsring zur Führung der Flügel eingesetzt wird, wobei der Flügelzellenexpander in einer Seitenansicht dargestellt ist, <tb>Fig. 5:<sep>eine Detailansicht zur näheren Erläuterung der Ausführung des Zwangsführungsrings gemäss dem zweiten Aspekt, <tb>Fig. 6:<sep>ein erstes Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung, bei welchem Dichtungssegmente zum Abdichten der Stirnseiten des Rotors eingesetzt werden, wobei der Flügelzellenexpander in einer Schnittansicht in Axialrichtung gezeigt ist, <tb>Fig. 7:<sep>ein zweites Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung, wobei das in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Feder vorgespannte Dichtungssegment und die Stirnseite des Rotors in einer Explosionsdarstellung gezeigt sind und <tb>Fig. 8:<sep>ein Ausführungsbeispiel des modularen Aufbaus gemäss dem vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung, durch welchen der erfindungsgemässe Flügelzellenexpander je nach gewünschtem Hubvolumen aus einem oder mehreren Abschnitten aufgebaut werden kann.In this case: <Tb> FIG. 1: <sep> is a schematic representation of an energy recovery system in which a vane cell expander according to the invention can be used, <Tb> FIG. FIG. 2 is a p-V diagram for operating such an energy recovery system according to the Rankine Ranking Principle; FIG. <Tb> FIG. FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the first aspect of the present invention, in which the vane cell expander has two or more stroke regions, wherein here one of these stroke regions is shown with an asymmetrical inner contour of the housing, FIG. <Tb> FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the second aspect of the present invention, in which a positive guide ring is used to guide the wings, wherein the vane cell expander is shown in a side view, <Tb> FIG. 5: <sep> is a detailed view for a more detailed explanation of the embodiment of the positive guide ring according to the second aspect, <Tb> FIG. 6 shows a first embodiment of the third aspect of the present invention, in which sealing segments are used for sealing the end faces of the rotor, wherein the vane cell expander is shown in a sectional view in the axial direction, <Tb> FIG. 7: <sep> is a second embodiment of the third aspect of the present invention, wherein the spring-biased in this embodiment sealing segment and the end face of the rotor are shown in an exploded view, and <Tb> FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the modular construction according to the fourth aspect of the present invention, by means of which the vane cell expander according to the invention can be constructed from one or more sections depending on the desired stroke volume.

[0049] In Fig. 1 ist ein Energierückgewinnungssystem dargestellt, bei welchem ein erfindungsgemässer Flügelzellenexpander zum Einsatz kommen kann. Das Energierückgewinnungssystem weist dabei einen Fluidkreislauf 1 auf, in welchem ein Medium zirkuliert. Das Energierückgewinnungssystem kann dazu eingesetzt werden, um thermische Energie über den Expander 4 in mechanische Wellenleistung umzuwandeln. In Fig. 1, an energy recovery system is shown, in which an inventive vane cell expander can be used. The energy recovery system in this case has a fluid circuit 1 in which a medium circulates. The energy recovery system can be used to convert thermal energy via the expander 4 into mechanical wave power.

[0050] Das Energierückgewinnungssystem weist dabei eine Pumpe 2, einen Wärmetauscher 3, den Expander 4 sowie einen Kondensator 5 auf. Die Pumpe 2 wird dabei dazu eingesetzt, um den Druck des Mediums im Kreislauf zu erhöhen. Im Wärmetauscher 3 wird das Medium dann erwärmt, verdampft und überhitzt. Die Expansionsphase des nun gasförmigen Mediums findet im Expander 4 statt. Hierbei wird an einer Abtriebswelle des Expanders mechanische Leistung abgegeben. The energy recovery system has a pump 2, a heat exchanger 3, the expander 4 and a capacitor 5. The pump 2 is used to increase the pressure of the medium in the circuit. In the heat exchanger 3, the medium is then heated, evaporated and superheated. The expansion phase of the now gaseous medium takes place in the expander 4. In this case, mechanical power is delivered to an output shaft of the expander.

[0051] Danach wird das Fluid im Kondensator 5 gekühlt und verflüssigt. Das erfindungsgemässe Energierückgewinnungssystem kann weiterhin einen Tank und gegebenenfalls einen Filter aufweisen, welche in Figur 1jedoch der Übersicht halber nicht dargestellt wurden. Thereafter, the fluid in the condenser 5 is cooled and liquefied. The energy recovery system according to the invention can furthermore have a tank and possibly a filter, which have not been shown in FIG. 1 for the sake of clarity.

[0052] Vorteilhafterweise erfolgt der Betrieb des Energierückgewinnungssystems dabei nach dem Clausius-Rankine-Prinzip, dessen p-V-Diagramm in Fig. 2dargestellt ist. Die Linie 6 entspricht dabei der Druckbeaufschlagung des Mediums in der Pumpe 2, die Linie 7 der Erwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Mediums im Wärmetauscher 3, die Linie 8 der Expansion im Expander 4 und die Linie 9 der Kondensation im Kondensator 5. Advantageously, the operation of the energy recovery system takes place according to the Clausius-Rankine principle, whose p-V diagram is shown in Fig. 2. The line 6 corresponds to the pressurization of the medium in the pump 2, the line 7 of heating, evaporation and overheating of the medium in the heat exchanger 3, the line 8 of the expansion in the expander 4 and the line 9 of the condensation in the condenser. 5

[0053] Als Medium wird im Kreislauf vorteilhafterweise eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt zwischen 50 °C und 120 °C eingesetzt, beispielsweise Wasser, Ethanol oder R245. As a medium in the circulation advantageously a liquid having a boiling point between 50 ° C and 120 ° C is used, for example water, ethanol or R245.

[0054] Als Expander in einem solchen Energierückgewinnungssystem wird nun erfindungsgemäss ein Flügelzellenexpander eingesetzt. Der Wirkungsgrad eines solchen Flügelzellenexpanders ist dabei von den geometrischen und mechanischen Eigenschaften des Expanders abhängig. Neben den Grundparametern des Flügelzellenexpanders wie Innendurchmesser des Gehäuses und der Rotorhöhe sind das Expansionsverhältnis und die Verlaufkurve der isentropen Expansion die wichtigsten geometrischen Parameter des Flügelzellenexpanders. As an expander in such an energy recovery system, a vane cell expander is now used according to the invention. The efficiency of such a vane cell expander is dependent on the geometric and mechanical properties of the expander. In addition to the basic parameters of the vane cell expander, such as the inner diameter of the housing and the rotor height, the expansion ratio and the curve of the isentropic expansion are the most important geometric parameters of the vane cell expander.

[0055] Ein Flügelzellenexpander gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst dabei ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Der Rotor trägt dabei mehrere Flügel, welche verschieblich am Rotor gelagert sind und mit ihren Aussenkanten mit der Innenkontur des Gehäuses in Kontakt stehen. Die einzelnen Flügel definieren hierdurch Kammern. Die Innenkontur des Gehäuses weist dabei einen sich über den Drehwinkelbereich des Rotors verändernden Abstand zur Drehachse des Rotors auf. Hierdurch verändert sich das Volumen der durch die einzelnen Flügel gebildeten Flügelzellen. A vane cell expander according to the present invention comprises a housing and a rotor arranged in the housing. The rotor carries several wings, which are displaceably mounted on the rotor and are in contact with their outer edges with the inner contour of the housing. The individual wings thereby define chambers. In this case, the inner contour of the housing has a distance, which varies over the rotational angle range of the rotor, from the axis of rotation of the rotor. As a result, the volume of the vane cells formed by the individual wings changes.

[0056] Der Flügelzellenexpander weist weiterhin einen Einlass für das gasförmige Medium auf, durch welchen dieses in den Flügelzellenexpander einströmen kann. Weiterhin weist der Flügelzellenexpander einen Auslass für das expandierte gasförmige Medium auf. Einlass und Auslass stehen dabei mit dem Hubvolumen des Rotors über eine Schlitzsteuerung in Verbindung. Dabei sorgen Öffnungen bzw. Schlitze in den Stirnseiten und/oder im Umfangsbereich des Gehäuses für eine Verbindung der Flügelzellen mit dem Einlass für das gasförmige Medium, wenn das Volumen der Flügelzellen aufgrund des Drehwinkels des Rotors gering ist. Bei einer Drehung des Rotors expandiert das Volumen der Flügelzellen mit dem darin eingeschlossenen Gas. Die Expansion des Gases treibt dabei den Rotor an. Wurde das Volumen der jeweiligen Flügelzellen durch Rotors expandiert, kommen diese mit weiteren Öffnungen bzw. Schlitzen in Kontakt, welche eine Verbindung zum Auslass für das nun expandierte gasförmige Medium herstellen. Ein solcher Flügelzellenexpander arbeitet damit genau umgekehrt wie eine Flügelzellenpumpe. The vane cell expander further has an inlet for the gaseous medium, through which it can flow into the vane cell expander. Furthermore, the vane cell expander has an outlet for the expanded gaseous medium. Inlet and outlet are connected to the displacement of the rotor via a slot control in connection. In this case, openings or slots in the end faces and / or in the peripheral region of the housing for a connection of the vane cells with the inlet for the gaseous medium, when the volume of the vane cells is low due to the rotation angle of the rotor. As the rotor rotates, the volume of the vanes expands with the gas trapped therein. The expansion of the gas drives the rotor. If the volume of the respective vane cells has been expanded by the rotor, these come into contact with further openings or slots, which establish a connection to the outlet for the now expanded gaseous medium. Such a vane cell expander works exactly like a vane pump.

[0057] Die Flügel des Flügelzellenexpanders sind dabei vorteilhafterweise in Schlitzen des Rotors gelagert und verlaufen in radialer Richtung von der Drehachse des Rotors weg. Dabei können beispielsweise zwischen 6 und 14 Flügel für den Flügelzellenexpander eingesetzt werden. The wings of the vane cell expander are advantageously mounted in slots of the rotor and extend in the radial direction away from the axis of rotation of the rotor. For example, between 6 and 14 wings can be used for the vane cell expander.

[0058] Die vorliegende Erfindung optimiert nun einen solchen Flügelzellenexpander in mehreren, voneinander unabhängigen Aspekten. Die einzelnen voneinander unabhängigen Aspekte, welche nun im Folgenden beschrieben werden, können jedoch besonders bevorzugt auch kombiniert miteinander eingesetzt werden. The present invention now optimizes such a vane cell expander in several independent aspects. However, the individual aspects that are independent of each other, which will now be described below, can be used particularly preferably combined with one another.

[0059] In Fig. 3 ist nun ein Ausführungsbeispiel eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung gezeigt. Fig. 3zeigt einen Schnitt durch den Rotor 11, dessen Aussenkontur kreisförmig ist. Im Rotor sind dabei Schlitze 13 vorgesehen, in welchen Flügel 12 in radialer Richtung verschieblich gelagert sind. Die Flügel 12 kontaktieren dabei mit ihren Aussenkanten die Innenkontur 10 des Gehäuses. Referring now to Fig. 3, there is shown an embodiment of a first aspect of the present invention. Fig. 3 shows a section through the rotor 11, whose outer contour is circular. In the rotor slots 13 are provided, in which wings 12 are mounted displaceably in the radial direction. The wings 12 contact with their outer edges, the inner contour 10 of the housing.

[0060] Der erfindungsgemässe Flügelzellenexpander ist dabei zweihubig ausgeführt, das heisst jeder einzelne Flügel wird bei einer Drehung des Rotors um 360° zweimal komplett in den Rotor eingedrückt und komplett aus diesem herausgeschoben. Mit anderen Worten durchläuft jede Flügelzelle des Flügelzellenexpanders bei einer Drehung des Rotors um 360° zweimal ihr maximales Volumen und zweimal ihr minimales Volumen. The vane cell expander according to the invention is designed to be two-stroke, that is to say each individual vane is pressed completely through the rotor by 360 ° twice during a rotation of the rotor and pushed out completely from the rotor. In other words, as the rotor rotates through 360 °, each vane cell of the vane cell expander twice passes through its maximum volume and twice its minimum volume.

[0061] Jeder der beiden Hubbereiche ist dabei im Hinblick auf den Drehwinkel des Rotors gleich gross, das heisst das Gehäuse weist jeweils zwei Hubbereiche mit einer Erstreckung von 180° auf. In Fig. 3 ist dabei lediglich der obere Hubbereich dargestellt. Der untere Hubbereich ist demgegenüber punktsymmetrisch im Hinblick auf die Längsachse des Rotors 11 ausgeführt. Each of the two Hubbereiche is the same size in terms of the angle of rotation of the rotor, that is, the housing has two stroke areas with an extension of 180 °. In Fig. 3, only the upper stroke range is shown. In contrast, the lower stroke region is designed point-symmetrically with respect to the longitudinal axis of the rotor 11.

[0062] Die Schlitzsteuerung und die Innenkontur des Gehäuses sind dabei so ausgeführt, dass die Expansion des gasförmigen Mediums in beiden Hubbereichen gleichzeitig und synchron verläuft. Bevorzugt sind dabei beide Hubbereiche im Hinblick auf ihre Innenkontur und im Hinblick auf die Schlitzsteuerung symmetrisch ausgeführt. The slot control and the inner contour of the housing are designed so that the expansion of the gaseous medium in both Hubbereichen runs simultaneously and synchronously. Both stroke ranges are preferably symmetrical with respect to their inner contour and with regard to the slot control.

[0063] Erfindungsgemäss wird gemäss diesem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die auf den Rotor einwirkenden Kräfte, als auch im Hinblick auf die auf den Rotor einwirkenden Temperaturen eine optimale Symmetrie erreicht. Hierdurch werden sowohl die Laufeigenschaften, als auch die Dauerfestigkeit des Flügelzellenexpanders erhöht. According to the invention is achieved according to this first aspect of the present invention, in view of the forces acting on the rotor forces, as well as with respect to the temperatures acting on the rotor optimal symmetry. As a result, both the running properties, as well as the fatigue strength of the vane cell expander are increased.

[0064] Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist dabei die Innenkontor 10 des Gehäuses über den Hubbereich asymmetrisch ausgeführt. Insbesondere ist dabei der der Expansionsphase entsprechende Drehbereich deutlich grösser als der Drehbereich, in welchem sich das Volumen der Flügelzellen wieder verringert, um zu Beginn des nächsten Hubbereiches wieder ein Minimalvolumen einzunehmen. Der Expansionsbereich 14, das heisst der Bereich, in welchem sich der Abstand der Innenkontur 10 von der Drehachse des Rotors 11 vergrössert, beträgt dabei im Ausführungsbeispiel 75% des gesamten diesem Hub zugeordneten Drehbereichs, während der zur Verringerung des Zellenvolumens angesetzte Bereich 15 lediglich 25% beträgt. According to a particularly preferred embodiment of the first aspect of the present invention, the Innenkontor 10 of the housing is designed asymmetrically over the stroke range. In particular, the range of rotation corresponding to the expansion phase is significantly greater than the rotation range in which the volume of the vane cells decreases again in order to assume a minimum volume again at the beginning of the next stroke range. The expansion region 14, that is to say the region in which the distance of the inner contour 10 from the axis of rotation of the rotor 11 increases, in the exemplary embodiment amounts to 75% of the total rotational range assigned to this stroke, while the region 15 set to reduce the cell volume only amounts to 25%. is.

[0065] Durch die gemäss der besonders bevorzugten Ausführung des ersten Aspekts vorgesehene asymmetrische Innenkontur des Gehäuses kann ein verbesserter Wirkungsgrad des Flügelzellenexpanders erreicht werden, da sich eine entsprechend verlängerte Expansionsphase ergibt. By virtue of the asymmetrical inner contour of the housing provided according to the particularly preferred embodiment of the first aspect, an improved efficiency of the vane cell expander can be achieved since a correspondingly extended expansion phase results.

[0066] Gemäss dem nun folgenden zweiten und dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann nun weiterhin die Dichtigkeit des Flügelzellenexpanders verbessert werden. Hierdurch können Leckageverluste, welche gegebenenfalls durch die ungünstigen Gaswechselbedingungen im Auslassbereich bei der Verlängerung der isentropen Expansion gemäss dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung verursacht werden, verringert werden. According to the following second and third aspect of the present invention, the tightness of the vane cell expander can now be further improved. As a result, leakage losses, which are possibly caused by the unfavorable gas exchange conditions in the outlet region in the extension of the isentropic expansion according to the first aspect of the present invention, can be reduced.

[0067] in Fig. 4 und 5 ist dabei nun ein Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gemäss diesem Aspekt wird ein Zwangsführungsring 17 eingesetzt, welcher die Flügel 12 des Flügelzellenexpanders in Kontakt mit der Innenkontur 10 des Gehäuses 16 zwingt. Der Zwangsführungsring 17 ist dabei starr mit dem Gehäuse 16 verbunden. Beispielsweise können die Zwangsführungsringe 17 dabei auf beiden Stirnseiten des Rotors so angeordnet sein, dass die Innenkanten der Flügel 12 sich auf der Aussenkontur 18 des Zwangsführungsrings abstützen. FIGS. 4 and 5 show an embodiment of the second aspect of the present invention. According to this aspect, a positive guide ring 17 is used, which forces the wings 12 of the vane cell expander in contact with the inner contour 10 of the housing 16. The positive guide ring 17 is rigidly connected to the housing 16. For example, the positive guide rings 17 can be arranged on both end sides of the rotor so that the inner edges of the wings 12 are supported on the outer contour 18 of the positive guide ring.

[0068] Die Rügelzellen laufen nun mit ihren den Aussenkanten gegenüberliegenden Innenbereichen auf der Aussenkontur 18 des Zwangsführungsrings 17, welcher hierdurch die Verschiebung der Flügel 12 in radialer Richtung steuert. Die Aussenkontur 18 des Zwangsführungsrings ist dabei so gestaltet, dass die Flügel 12 in jeder Drehposition des Rotors 11 mit der Innenkontur 10 des Gehäuses 16 in Kontakt stehen. The Rügelzellen now run with their outer edges opposite inner regions on the outer contour 18 of the positive guide ring 17, which thereby controls the displacement of the wings 12 in the radial direction. The outer contour 18 of the positive guide ring is designed so that the wings 12 are in each rotational position of the rotor 11 with the inner contour 10 of the housing 16 in contact.

[0069] In Fig. 5 ist in einer Detailansicht der Kontaktbereich 19 eines Flügels 12 mit der Innenkontur 10 des Gehäuses gezeigt. Da der Kontaktbereich 19 einen Krümmungsradius r > 0 aufweist, liegt die Kontaktlinie 20 in all den Winkelstellungen des Rotors, in welchen die Innenkontur 10 nicht tangential zur Drehachse des Rotors verläuft, um einen gewissen Abstand verschoben von der radialen Richtung bzw. einer in radialer Richtung liegenden Linie 21. Diese Verschiebung der Kontaktlinie 20 führt auch in radialer Richtung zu einem gewissen Höhenversatz h zwischen der Schnittlinie 21 zwischen der in radialer Richtung verlaufenden Mittellinie des Flügels und der Innenkontur 10 sowie der verschobenen Kontaktlinie 20. 5, the contact region 19 of a wing 12 with the inner contour 10 of the housing is shown in a detailed view. Since the contact region 19 has a radius of curvature r> 0, the contact line 20 is in all the angular positions of the rotor, in which the inner contour 10 is not tangent to the axis of rotation of the rotor, displaced by a certain distance from the radial direction or one in the radial direction This displacement of the contact line 20 also leads in the radial direction to a certain height offset h between the section line 21 between the radially extending center line of the wing and the inner contour 10 and the shifted contact line 20th

[0070] Erfindungsgemäss wird diese Verschiebung der Kontaktlinie 20 und der hierdurch bewirkte Höhenversatz h bei der Gestaltung der Aussenkontur des Zwangsführungsringes berücksichtigt, ebenso wie ein entsprechender Versatz einer Kontaktlinie des Flügels auf dieser Aussenkontur. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass trotz der verschobenen Kontaktlinien die Flügel immer spaltfrei an der Aussenkontur 10 des Gehäuses anliegen. Durch Berücksichtigung der Verschiebung der Kontaktlinie lassen sich Spaltbreiten von weniger als 10 um über den gesamten Drehwinkelbereich realisieren. According to the invention, this displacement of the contact line 20 and the resulting height offset h in the design of the outer contour of the positive guide ring is taken into account, as well as a corresponding offset of a contact line of the wing on this outer contour. In this way it can be ensured that, despite the shifted contact lines, the wings always rest gap-free on the outer contour 10 of the housing. By taking into account the displacement of the contact line, gap widths of less than 10 μm can be realized over the entire rotation angle range.

[0071] In Fig. 6 und 7 sind nur zwei Ausführungsbeispiele eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung gezeigt, durch welche eine bessere Abdichtung des Axialspalts zwischen dem Rotor 11 und den Deckeln 24 des Gehäuses ermöglicht wird. Hierfür werden Dichtscheiben 23 eingesetzt, welche zwischen dem Rotor 12 und den Deckeln 24 angeordnet sind. Die Dichtscheiben sind dabei in Segmente 23 unterteilt, welche jeweils zwischen den Flügeln 12 des Flügelzellenexpanders angeordnet sind und gemeinsam einen Dichtring bilden. In Figs. 6 and 7 only two embodiments of a third aspect of the present invention are shown, by which a better sealing of the axial gap between the rotor 11 and the covers 24 of the housing is made possible. For this purpose, sealing washers 23 are used, which are arranged between the rotor 12 and the covers 24. The sealing discs are divided into segments 23, which are each arranged between the wings 12 of the vane cell expander and together form a sealing ring.

[0072] Dabei weisen die Stirnseiten 22 des Rotors jeweils Ringnuten 28 auf, in welche die Dichtsegmente 23 eingesetzt sind. In Fig. 7 sind dabei auch die in radialer Richtung verlaufenden Spalte 13 im Rotor 12 zu sehen, in welchen die Flügel gelagert sind. Die Flügel weisen dabei die gleiche Breite auf wie der Rotor und stossen damit mit ihren Stirn kanten jeweils gegen die Innenseiten der Deckel 24. Die weitere Abdichtung der einzelnen Flügelzellen in axialer Richtung wird nun durch die Segmente der Dichtscheiben ermöglicht. In this case, the end faces 22 of the rotor each have annular grooves 28 into which the sealing segments 23 are inserted. In Fig. 7 are also running in the radial direction column 13 in the rotor 12 can be seen, in which the wings are mounted. The wings in this case have the same width as the rotor and thus abut with their front edges respectively against the inner sides of the cover 24. The further sealing of the individual vane cells in the axial direction is now made possible by the segments of the sealing discs.

[0073] Die Segmente werden dabei in einer besonders bevorzugten Ausführung des dritten Aspekts gegen die Innenflächen der Deckel 24 gedrückt. Bei dem in Fig. 6gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt dies druckbeaufschlagt. Hierfür ist ein Druckkanal 25 von der Flügelzelle 26 zur Rückseite des Segments 23 gezogen. Durch diesen wird das Segment mit dem Druck aus der Flügelzelle gegen den Deckel 24 gedrückt. Entsprechende Druckkanäle sind dabei für sämtliche Segmente auf beiden Seiten des Rotors vorgesehen. The segments are pressed against the inner surfaces of the lid 24 in a particularly preferred embodiment of the third aspect. In the embodiment shown in FIG. 6, this is done by pressure. For this purpose, a pressure channel 25 is pulled from the wing cell 26 to the back of the segment 23. Through this, the segment is pressed against the lid 24 with the pressure from the vane cell. Corresponding pressure channels are provided for all segments on both sides of the rotor.

[0074] Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anpressung dagegen über eine Feder 27, welche hinter dem Segment 23 angeordnet ist. Dabei kann beispielsweise eine Wellfeder oder eine Druckfeder verwendet werden. In the embodiment shown in Fig. 7, however, the contact pressure via a spring 27, which is arranged behind the segment 23. In this case, for example, a corrugated spring or a compression spring can be used.

[0075] Zur Minimierung der Reibungsverluste kann die Dichtscheibe bzw. können die Segmente aus einem PTFE- oder Keramikwerkstoff hergestellt werden. Die Segmente der Schreibe werden dabei genau gefertigt, um die Ausdehnung des Werkstoffes bei höheren Temperaturen zu berücksichtigen. To minimize the friction losses, the sealing disk or the segments can be made of a PTFE or ceramic material. The segments of the write are precisely made to take into account the expansion of the material at higher temperatures.

[0076] Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von Fig. 8 erläutert. Dort ist ein Ausführungsbeispiel eines modularen Aufbaus des Flügelzellenexpanders dargestellt, welcher eine Variabilität des Hubvolumens realisiert. Dabei kann durch die Einstellung der Expander-Grösse die Wellenleistung eingestellt werden. A fourth aspect of the present invention will now be explained with reference to FIG. There, an embodiment of a modular structure of the vane cell expander is shown, which realizes a variability of the stroke volume. The shaft power can be adjusted by adjusting the expander size.

[0077] Der Rotor ist dabei erfindungsgemäss aus mehreren Rotorabschnitten 11 und 11 ́ aufgebaut, welche nebeneinander auf einer gemeinsamen Welle 30 sitzen. Die Rotorabschnitte 11 und 11 ́ sind dabei durch eine Druckplatte 29 getrennt, an welcher auch die Achse 30 gelagert ist. Dabei können identische Rotorabschnitte 11 und 11 ́ eingesetzt werden. Das Hubvolumen wird dabei durch die Druckplatten in voneinander getrennte Einzelvolumina aufgeteilt. The rotor is constructed according to the invention from a plurality of rotor sections 11 and 11, which sit side by side on a common shaft 30. The rotor sections 11 and 11 are separated by a pressure plate 29, on which also the axis 30 is mounted. In this case, identical rotor sections 11 and 11 can be used. The stroke volume is divided by the pressure plates into separate individual volumes.

[0078] Weiterhin ist auch der Umfangsbereich des Gehäuses aus Gehäuseabschnitten 16 und 16 ́ aufgebaut, welche insbesondere die gleiche Innenkontur aufweisen können. Diese sind ebenfalls mit der dazwischen liegenden Druckplatte 29 verbunden. An den beiden Enden können wieder Deckel 24 eingesetzt werden. Die stirnseitige Abdichtung der Rotorabschnitte mit den Deckeln und den Druckplatten kann dabei insbesondere gemäss dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgen. Furthermore, the peripheral region of the housing of housing sections 16 and 16 is constructed, which may in particular have the same inner contour. These are also connected to the intermediate pressure plate 29. At the two ends lid 24 can be used again. The frontal sealing of the rotor sections with the covers and the pressure plates can be carried out in particular according to the third aspect of the present invention.

[0079] Die Druckplatten 29 sind dabei vorteilhafterweise ebenfalls aus Keramikwerkstoffen oder PTFE beschichteten Werkstoffen hergestellt. Hierdurch können Reibverluste zwischen den Druckplatten und den Rotoren minimiert werden. The pressure plates 29 are advantageously also made of ceramic materials or PTFE coated materials. As a result, friction losses between the pressure plates and the rotors can be minimized.

[0080] Je nach gewünschtem Hubvolumen kann der Expander nun aus einer entsprechenden Anzahl von Rotorabschnitten und Gehäuseabschnitten aufgebaut werden. Depending on the desired stroke volume of the expander can now be constructed from a corresponding number of rotor sections and housing sections.

[0081] Hierdurch sind Expander mit unterschiedlichen Hubvolumen ohne grössere konstruktive Umbauten herstellbar. Das Hubvolumen wird dabei im Wesentlichen durch die Anzahl der Rotoren bestimmt und, wobei eine entsprechende Verlängerung der Welle 30 mit der Vergrösserung des Hubvolumens einhergeht. As a result, expander can be produced with different displacement without major structural modifications. The stroke volume is determined essentially by the number of rotors and, with a corresponding extension of the shaft 30 is associated with the increase of the stroke volume.

[0082] Gemäss dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Lagerung der Rotorwelle durch die Verwendung von Kugelkeramiklagern erfolgt. Dabei sind die Kugeln des Kugellagers aus Keramik gefertigt, während die Führungsringe des Lagers aus Stahl bestehen. According to the fifth aspect of the present invention, it is further provided that the bearing of the rotor shaft is effected by the use of spherical ceramic bearings. The balls of the ball bearing are made of ceramic, while the guide rings of the bearing are made of steel.

[0083] Hierdurch und ggf. durch die Verwendung von PTFE-Werkstoffen und/oder Keramikwerkstoffen ist es erfindungsgemäss möglich, den erfindungsgemässen Flügelzellenexpander ohne Schmierung zu betreiben. As a result, and possibly by the use of PTFE materials and / or ceramic materials, it is possible according to the invention to operate the vane cell expander according to the invention without lubrication.

[0084] Selbstverständlich können dabei erfindungsgemäss auch zwei oder mehr der oben beschriebenen Aspekte der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert werden. Of course, according to the invention, two or more of the above-described aspects of the present invention may be combined with each other.

Claims

A vane cell expander (4) for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing (16), an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor (11) arranged in the housing, characterized in that the inner contour ( 10) of the housing has two or more stroke portions communicating with the gaseous medium inlet such that during operation of the energy recovery system, the gaseous medium simultaneously expands in the two or more stroke ranges.

2. vane cell expander according to claim 1, wherein the inner contour (10) and / or the control slots of the housing (16) are designed to be identical for all stroke ranges.

3. vane cell expander according to claim 1 or 2, wherein the inner contour (10) of the housing with respect to each hub associated rotational range is designed asymmetrically, whereby the expansion phase associated with the rotational range (14) more than 50% of the respective stroke associated total rotational range of Rotor makes.

4. Vane cell expander (4) for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing (16), an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor (11) arranged in the housing, characterized in that the wings ( 12) on its side facing away from the housing (16) by a positive guide ring (17) are guided.

5. vane expander according to claim 4, wherein the contact areas of the wings (12) with the inner contour (10) of the housing have a radius of curvature greater zero, so that the contact line (20) of the wing with the inner contour (10) during the rotational movement of the rotor on the radius of curvature of the contact areas, wherein the positive guide ring (17) has a contour which takes into account this shift.

6. vane cell expander (4) for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, with a housing (16, 24), an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor disposed in the housing (11), characterized in that End faces (22) of the rotor (11) between the wings (12) sealing segments (23) of a sealing ring for lateral sealing with the housing (24) are arranged.

7. vane cell expander according to claim 6, wherein pressure means (25, 27) are provided, which press the sealing segments (23) against the housing, wherein advantageously the pressure means comprise a spring (27) and / or a pressure channel (25).

8. Flügelzellenexpander (4) for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing (16), an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor disposed in the housing (11), characterized in that the rotor two or more rotor sections (11, 11) which sit side by side on a common axis (30) and each separated by a pressure plate (29) and / or the housing consists of two or more housing sections (16, 16) , which are arranged side by side in the axial direction of the rotor and surround the rotor.

9. vane cell expander according to claim 8, wherein the rotor sections (11, 11) and / or housing sections (16, 16) are made identical and / or have the same outer or inner contour.

10. vane cell expander according to claim 8 or 9, comprising at least three rotor sections, from where the housing for controlling at least one of the inner rotor sections control slots in the peripheral region.

Vane cell expander (4) for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium, comprising a housing (16), an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor (11) arranged in the housing, characterized by the rotor of the vane cell expander is mounted on ball bearings with ceramic balls.

12. energy recovery system (1) with a vane cell expander (4) according to one of the preceding claims.

13. A method for operating an energy recovery system (1) according to claim 12, wherein a gaseous medium in the vane cell expander (4) flows and expands there with the release of mechanical energy, the energy recovery system advantageously operates on the Clausius-Rankine principle.

14. A method for producing a vane cell expander according to claim 5, wherein the outer contour of the positive guide ring (17) is determined taking into account the displacement of the contact line (20).

15. A method for producing a vane cell expander (4) in particular according to claim 8 with a vane cell expander for generating mechanical energy from the expansion of a gaseous medium with a housing (16), an inlet and an outlet for the gaseous medium and a rotor arranged in the housing ( 11), characterized in that, depending on the desired displacement of the rotor from one, two or more rotor sections (11, 11) is constructed, which, if two or more rotor sections are used, juxtaposed on a common axis and each by a pressure plate are separated from each other and / or wherein the housing of one or more housing sections (16, 16) which, when two or more housing sections are used, are arranged side by side in the axial direction of the rotor and surround the rotor.