DE102016225859A1

DE102016225859A1 - Außenzahnradpumpe für ein Abwärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE102016225859A1
Application number: DE102016225859.1A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21
Also published as: WO2018114921A1

Abstract

Außenzahnradpumpe mit einem Gehäuse. Das Gehäuse begrenzt einen Arbeitsraum. In dem Arbeitsraum sind ein auf einer ersten Welle angeordnetes erstes Zahnrad und ein auf einer zweiten Welle angeordnetes zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Zur radialen Lagerung der beiden Wellen ist jeweils mindestens ein Gleitlager in dem Gehäuse angeordnet. Die Gleitlager sind mittels je eines Verbindungskanals hydraulisch mit dem Arbeitsraum verbunden. Die Verbindungskanäle sind in dem Gehäuse ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe, insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Fluidförderpumpen sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise als Außenzahnradpumpen aus der Offenlegungsschrift DE 43 09 859 A1 .
Weiterhin ist auch die prinzipielle Anordnung von Speisefluidpumpen innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 205 648 A1 . Jedoch lassen die bekannten Dokumente offen, wie die Speisefluidpumpe auch mit aggressiven Arbeitsmedien von Abwärmerückgewinnungssystemen, welche eine sehr niedrige Viskosität aufweisen, mit möglichst langer Lebensdauer betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe hat demgegenüber den Vorteil, dass sie für niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien eingesetzt werden kann. Weiterhin ist die Außenzahnradpumpe resistent gegenüber Kavitationsschäden und kann so auch für Betriebstemperaturen nahe an der Verdampfungstemperatur des zu fördernden Arbeitsmediums eingesetzt werden.
Daher eignet sich die Außenzahnradpumpe insbesondere für Abwärmerückgewinnungssysteme von Brennkraftmaschinen, welche oft niederviskose Arbeitsmedien verwenden.
Dazu weist die Außenzahnradpumpe ein Gehäuse auf. Das Gehäuse begrenzt einen Arbeitsraum. In dem Arbeitsraum sind ein auf einer ersten Welle angeordnetes erstes Zahnrad und ein auf einer zweiten Welle angeordnetes zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Zur radialen Lagerung der beiden Wellen ist jeweils mindestens ein Gleitlager in dem Gehäuse angeordnet. Die Gleitlager sind mittels je eines Verbindungskanals hydraulisch mit dem Arbeitsraum verbunden. Die Verbindungskanäle sind in dem Gehäuse ausgebildet.
Die Ausbildung der Verbindungskanäle im ortsfesten Gehäuse und nicht im rotierenden Zahnrad hat einen quasi statischen Druck des Arbeitsmediums in dem Verbindungskanal und damit auch in dem jeweils nachgeschalteten Gleitlager zur Folge. Dadurch ergibt sich eine konstante Durchspülung des Gleitlagers bei vergleichsweise lediglich geringem Förderverlust. Die Durchspülung des Gleitlagers bewirkt im Wesentlichen zwei positive Effekte: zum einen wird die Festkörperreibung reduziert, in dem Arbeitsmedium in den Kontakt des Gleitlagers gespritzt wird. Zum anderen wird ein Heißlaufen des Gleitlagers verhindert, indem ein ständiger Durchfluss von Arbeitsmedium gewährleistet ist. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Arbeitsmediums in dem Kontakt des Gleitlagers nicht, die Viskosität bleibt demzufolge vergleichsweise hoch, so dass die Schmiereigenschaften des Arbeitsmediums - auch für den Fall eines niedrigviskosen Arbeitsmediums - noch vergleichsweise gut sind.
In vorteilhaften Ausführungen umfasst das Gehäuse zumindest eine Lagerbrille. Die Lagerbrille bildet dabei eine axiale Lagerung der beiden Zahnräder aus. Optional können Lagerbuchsen zur radialen Lagerung der beiden Wellen in der Lagerbrille angeordnet, beispielsweise eingepresst, sein. Dadurch können die Zahnräder bzw. der Arbeitsraum axial abgedichtet werden, wobei eine axiale Leckage vorhanden ist, jedoch durch eine optimierte Spalthöhe zwischen Lagerbrille und den Stirnseiten der Zahnräder minimiert werden kann. Bei niedrigen Viskositäten ist dazu die Einstellung einer vergleichsweise geringen Spalthöhe erforderlich, die zudem nur geringen Toleranzen unterliegen darf, da andernfalls der Aufbau des hydrodynamischen Schmierfilms des niederviskosen Arbeitsmediums nicht funktioniert. Durch die Durchspülung der Gleitlager wird die Viskosität des Arbeitsmediums auf einem vergleichsweise hohen Niveau gehalten, so dass demzufolge die Spalthöhe nicht zu eng toleriert werden muss.
In vorteilhaften Ausführungen sind in der Lagerbrille zwei Lagerbuchsen angeordnet, wobei jede Lagerbuchse ein Gleitlager für je eine Welle ausbildet. Dadurch sind pro Lagerbrille je ein radiales Lager für beide Wellen in der Lagerbrille angeordnet. Dadurch wird die Positionierung der beiden Wellen zueinander, speziell die Parallelität, optimiert. Der Wirkungsgrad der Außenzahnradpumpe wird dadurch erhöht, der Verschleiß und die Leckage werden verringert.
In vorteilhaften Weiterbildungen sind die Verbindungskanäle in der Lagerbrille ausgebildet. Dadurch können die Verbindungskanäle einfach und kostengünstig gefertigt werden.
Vorteilhafterweise umfassen die Verbindungskanäle dabei jeweils eine Nut auf einer Stirnseite der Lagerbrille. Die Nut kann beispielsweise einfach in die Stirnseite gefräst werden.
Vorzugsweise münden die Verbindungskanäle - beispielsweise in Form von Nuten - arbeitsraumseitig in eine erste Zahnkammer des ersten Zahnrads oder des zweiten Zahnrads. Alternativ können die Verbindungskanäle auch in andere Zahnkammern münden, welche ein Druckniveau höher als den Druck des Einlasses aufweisen. In den ersten Zahnkammern ist schon verdichtetes Arbeitsmedium vorhanden, so dass unter Druck stehendes Arbeitsmedium in das zugehörige Gleitlager gespült wird. Ein entsprechender Druckgradient sorgt für die Durchspülung des Gleitlagers. Andernfalls würde das Arbeitsmedium in dem Gleitlager stehen, die Gefahr des Heißlaufens des Gleitlagers wäre gegeben.
In bevorzugten Weiterbildungen münden die Verbindungskanäle lagerseitig in Rotationsrichtung betrachtet unmittelbar vor dem jeweiligen Druckfeld in den zugehörigen Schmierspalt des Gleitlagers. Dadurch bildet sich direkt vor dem Druckfeld ein Schmierkeil aus, welcher in den Kontakt des Gleitlagers - also beispielsweise zwischen Lagerbuchse und Welle - hineingedrückt wird. Die Festkörperreibung in dem Kontakt wird so minimiert und demzufolge auch der Verschleiß in dem Gleitlager.
In vorteilhaften Ausführungen umfassen die Verbindungskanäle jeweils einen Kühlkanal, welcher das jeweilige Gleitlager außen umgebend angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei der Kühlkanal das zugeordnete Gleitlager um mehr als 180° umlaufend angeordnet. Durch den Kühlkanal wird das jeweilige Gleitlager wirkungsvoll gekühlt. Durch die Kühlung wird einerseits die Kavitationsbildung verringert und andererseits die Viskosität des Arbeitsmediums und damit die Schmierfähigkeit erhöht. Beides reduziert den Verschleiß in den Gleitlagern. Vorteilhaft ist dabei eine große Konvektionsfläche des Kühlkanals gepaart mit einer hohen Durchströmung.
Außenzahnradpumpen eignen sich sehr gut für die Anwendung in Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen. Derartige Abwärmerückgewinnungssysteme verwenden oft niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien. Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe ermöglicht eine gute Durchspülung und Kühlung ihrer Gleitlager, so dass Verschleiß und Kavitation in den Gleitlagern vermindert werden. Daher ist die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe sehr vorteilhaft in einem Abwärmerückgewinnungssystem verwendbar. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Die Speisefluidpumpe ist dabei als Außenzahnradpumpe nach einer Ausführung mit den vorhergehend beschriebenen Merkmalen ausgeführt.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine Außenzahnradpumpe des Stands der Technik in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereich dargestellt sind.
2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Außenzahnradpumpe aus dem Stand der Technik.
3 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
4 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
5 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Außenzahnradpumpe 1 aus dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Außenzahnradpumpe 1 umfasst ein Gehäuse 2, einen Deckel 3 und einen Bodenflansch 4. Der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 sind unter Zwischenlage des Gehäuses 2 durch vier Schrauben 5 miteinander verspannt. Das Gehäuse 2, der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 begrenzen einen Arbeitsraum 6.
In dem Arbeitsraum 6 sind ein erstes Zahnrad 11 und ein zweites Zahnrad 12 kämmend miteinander angeordnet. Beide Zahnräder 11, 12 weisen dabei eine gewisse Anzahl von Zähnen mit jeweils einer Zahnbreite bzw. Zahnradbreite b auf. Das erste Zahnrad 11 ist auf einer ersten Welle 21 befestigt und das zweite Zahnrad 12 auf einer zur ersten Welle 21 parallelen zweiten Welle 22. Alternativ können je ein Zahnrad und je eine Welle auch einteilig ausgeführt sein. Die erste Welle 21 dient in der Ausführung der 1 als Antriebswelle und ist mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden, beispielsweise einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Dazu ragt die erste Welle 21 durch den Bodenflansch 4.
Die beiden Wellen 21, 22 ragen jeweils durch das ihnen zugeordnete Zahnrad 11, 12 und sind mit diesem fest verbunden, beispielsweise durch je einen Pressverband. Beiderseits der Zahnräder 11, 12 sind die Wellen 21, 22 gelagert. Die Lagerung erfolgt durch zwei Lagerbrillen 30, 40, wobei die Lagerbrillen 30, 40 in dem Arbeitsraum 6 angeordnet sind: eine Lagerbrille 30 ist benachbart zum Bodenflansch 4 angeordnet und eine weitere Lagerbrille 40 benachbart zum Deckel 3. In beiden Lagerbrillen 30, 40 sind jeweils zwei Lagerbuchsen 9 eingepresst. Die Lagerbuchsen 9 der Lagerbrille 30 lagern die beiden Wellen 21, 22 antriebsseitig und die Lagerbuchsen 9 der weiteren Lagerbrille 40 auf der dazu gegenüberliegenden Seite der Zahnräder 11, 12. Die Lagerbuchsen 9 bilden somit Gleitlager für die beiden Wellen 21, 22 aus. Alternativ können die zwei Lagerbuchsen 9 auch einteilig mit der Lagerbrille 30 ausgeführt werden. Gleiches gilt auch für die weitere Lagerbrille 40.
Die vier Lagerbuchsen 9 haben jeweils eine Radiallagerfunktion und bilden jeweils ein Gleitlager mit der ihnen zugeordneten Welle 21, 22. Die Axiallagerfunktion wird durch die beiden Lagerbrillen 30, 40 erreicht: Dazu weist die Lagerbrille 30 stirnseitig eine Anschlagfläche 31 auf und die weitere Lagerbrille 40 stirnseitig eine weitere Anschlagfläche 42. Beide Anschlagflächen 31, 42 wirken mit beiden Zahnrädern 11, 12 zusammen. Die Anschlagfläche 31 lagert beide Zahnräder 11, 12 in der axialen Richtung zum Bodenflansch 4 orientiert; die weitere Anschlagfläche 42 lagert beide Zahnräder 11, 12 in der axialen Richtung zum Deckel 3 orientiert.
Zur Abdichtung des Arbeitsraums 6 zur Umgebung sind zwei Dichtungen am Gehäuse 2 angeordnet: Eine Dichtung 28 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Bodenflansch 4, und eine weitere Dichtung 29 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Deckel 3. Beide Dichtungen 28, 29 verlaufen etwa ringförmig über den Umfang des Gehäuses 28, 29 und sind üblicherweise in entsprechenden Nuten angeordnet.
Weiterhin ist zwischen der Lagerbrille 30 und dem Bodenflansch 4 eine erste Axialfelddichtung 18 angeordnet, und zwischen der weiteren Lagerbrille 40 und dem Deckel 3 ist eine zweite Axialfelddichtung 19 angeordnet. Die beiden Axialfelddichtungen 18, 19 stellen zum einen eine axiale Lagerung der beiden Lagerbrillen 30, 40 innerhalb des Gehäuses 2 dar. Zum anderen werden die Stirnseiten bzw. Rückseiten der beiden Lagerbrillen 30, 40 dadurch drehwinkelabhängig entweder mit dem Druckniveau des Druckbereichs oder mit dem Druckniveau des Saugbereichs beaufschlagt.
2 zeigt das Wirkprinzip der aus der DE 43 09 859 A1 bekannten Außenzahnradpumpe 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. In dem Gehäuse 2 sind ein Einlass 2a und ein Auslass 2b ausgebildet, welche an gegenüberliegenden Seiten in den Arbeitsraum 6 münden. Ein Fördervolumen V des Arbeitsmediums wird so an der Gehäusewand des Gehäuses 2 zwischen den Zähnen der beiden Zahnräder 11, 12 vom Einlass 2a zum Auslass 2b gefördert. Das Fördervolumen V entspricht dabei dem geförderten Volumen im Nennbetrieb der Außenzahnradpumpe 1, das heißt dem geförderten Volumen in wesentlichen Betriebspunkten.
Im Bereich des Einlasses 2a bildet sich dadurch der Saugbereich der Außenzahnradpumpe 1 mit einem niedrigen ersten Druckniveau - beispielsweise Atmosphärendruck - aus, und im Bereich des Auslasses 2b bildet sich der Druckbereich der Außenzahnradpumpe 1 mit einem höheren zweiten Druckniveau - beispielsweise 40 bar - aus. Das zweite Druckniveau des Druckbereichs hängt dabei von der nachfolgenden Strömungstopologie ab, beispielsweise von einer Drosselstelle.
Die zweite Welle 22 ist in der Ausführung der DE 43 09 859 A1 als feststehender Lagerzapfen ausgebildet, so dass das zweite Zahnrad 12 auf der zweiten Welle 22 gelagert ist. Zur hydrostatischen Lagerung des zweiten Zahnrads 12 auf dem Lagerzapfen 22 wird der Schmierspalt 20 zwischen dem zweiten Zahnrad 12 und dem Lagerzapfen 22 mit Arbeitsmedium versorgt. Dazu sind in dem zweiten Zahnrad 12 Verbindungskanäle 90 ausgebildet, und zwar von den Zahnkammern - also im Bereich der Zahnfüße 12a - zu dem Schmierspalt 20.
Somit ist an jedem Zahnfuß 12a ein Verbindungskanal 90 ausgebildet, der je nach Drehwinkel des zweiten Zahnrads 12 mit Drücken zwischen dem Druck des Einlasses 2a und dem Druck des Auslasses 2b beaufschlagt ist. Der Schmierspalt 20 wird somit über seinen gesamten Umfang mit Arbeitsmedium versorgt, was für eine optimale Schmierwirkung nicht erforderlich ist. Dies reduziert den Wirkungsgrad der aus dem Stand der Technik bekannten Außenzahnradpumpe 1.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In der Ausführung der 3 ist die Außenzahnradpumpe 1 ähnlich der aus der 1 aufgebaut: zur Lagerung der beiden Wellen 21, 22 sind beidseitig der Zahnräder 11, 12 die beiden Lagerbrillen 30, 40 angeordnet, in welchen wiederum jeweils zwei Lagerbuchsen 9 angeordnet sind. Pro Lagerbuchse 9 weist die Außenzahnradpumpe 1 einen Verbindungskanal 90 auf. In der 3 ist dies schematisch nur für eine Lagerbuchse 9 dargestellt; vorzugsweise weist die Außenzahnradpumpe 1 jedoch insgesamt vier Verbindungskanäle 90 auf.
Im Unterschied zur Ausführung der 2 ist der erfindungsgemäße Verbindungskanal 90 jedoch nicht in einem Zahnrad 11, 12 ausgebildet, sondern in einem ortsfesten Bauteil, wie der Lagerbrille 30 oder dem Gehäuse 2, je nach Bauart der Außenzahnradpumpe 1. Eine Entnahmestelle 90_a des Verbindungskanals 90 zweigt dabei vorzugsweise von einer Zahnkammer ab, welche mit einem mittleren Druck beaufschlagt ist, also einem Druck der nicht dem Druck des Einlasses 2a oder dem Druck des Auslasses 2b entspricht. Eine Zuführstelle 90_b des Verbindungskanals 90 mündet in den Schmierspalt 20 zwischen der Buchse 9 und der Welle 21, 22, vorzugsweise in Drehrichtung unmittelbar vor dem Kontaktbereich zwischen Welle 21, 22 und Lagerbuchse 9.
Zur Veranschaulichung des Kontaktbereichs zwischen Welle 21, 22 und Lagerbuchse 9 zeigt 4 schematisch eine Draufsicht auf die Lagerbrille 30 mit zwei darin eingepressten Lagerbuchsen 9. Eine Lagerbuchse 9 bildet ein Gleitlager 71 für die erste Welle 21, und eine andere Lagerbuchse 9 bildet ein weiteres Gleitlager 73 für die zweite Welle 22. Zwischen dem Gleitlager 71 und der ersten Welle 21 ist somit ein Schmierspalt 20_1 ausgebildet, und zwischen dem weiteren Gleitlager 73 und der zweiten Welle 22 ein weiterer Schmierspalt 20_3. Der Schmierspalt 20_1 wird über den Verbindungskanal 90_1 mit Arbeitsmedium zur Schmierung versorgt, und der weitere Schmierspalt 20_3 über einen weiteren Verbindungskanal 90_3. Beide Verbindungskanäle 90_1, 90_3 sind in der Lagerbrille 30 ausgebildet.
Beispielhaft wird nachfolgend nur anhand des Gleitlagers 71 die Wirkung des zugehörigen Verbindungskanals 90_1 beschrieben. Vorzugsweise soll dies jedoch für alle Gleitlager der beiden Wellen 21, 22 gelten.
Die Drehrichtung R21 der ersten Welle 21 verläuft gegen den Uhrzeigersinn, so dass das Arbeitsmedium in den Zahnkammern vom Einlass 2a zum Auslass 2b gefördert wird. Dadurch ergibt sich in Richtung des Auslasses 2b ein hoher Fluiddruck und im Bereich des Einlasses 2a ein niedriger Fluiddruck. Die auf das erste Zahnrad 11 - und damit mittelbar auch auf die erste Welle 21 - resultierende hydraulische Kraft F21 wirkt in etwa in Richtung des Einlasses, wie in 4 gezeigt. Dadurch bildet sich im Schmierspalt 20_1 ein Druckfeld p21 zwischen der ersten Welle 21 und dem Gleitlager 71 aus. Das Druckfeld p21 ist schematisch dargestellt und von etlichen Größen wie der Höhe des Schmierspalts 20_1 abhängig; das Druckfeld p21 kann demzufolge insbesondere andere Breiten aufweisen als in 4 dargestellt.
In bevorzugten Ausführungen der Außenzahnradpumpe 1 wird nun das Arbeitsmedium mittels des Verbindungskanals 90_1 in Drehrichtung R21 in den Schmierspalt 20_1 unmittelbar vor dem Druckfeld p21 eingeführt, also an der Zuführstelle 90_1_b, so dass sich im Bereich des Druckfelds p21 ein Schmierkeil ausbilden kann. Die Festkörperreibung im Druckfeld p21 des Gleitlagers 71 wird somit reduziert, idealerweise baut sich sogar ein hydrodynamischer Schmierfilm auf. Entsprechend wird der Verschleiß im Gleitlager 71 reduziert und somit die Lebensdauer der Außenzahnradpumpe 1 erhöht.
Vorzugsweise ist die Entnahmestelle 90_1_a in einem Bereich angeordnet, wie in 4 skizziert, der mit einem höheren Druck als dem Druck des Einlasses 2a beaufschlagt ist, um stromabwärts des Verbindungskanals 90_1 das Arbeitsmedium aus dem Schmierspalt 20_1 drücken zu können. Es ist jedoch nicht erforderlich dafür den Druck des Auslasses 2b zu verwenden, so dass eine Entnahmestelle 90_1_a im Bereich der ersten Zahnkammern des ersten Zahnrads 11 optimal ist. Entnahmestelle 90_1_a und Zuführstelle 90_1_b müssen dabei nicht in der gleichen Ebene zur Rotationsachse R21 liegen, dies ist in 4 nur der vereinfachten Darstellung geschuldet.
In vorteilhaften Weiterbildungen umfasst der Verbindungskanal 90_1 weiterhin einen Kühlkanal 90_1_c zwischen der Entnahmestelle 90_1_a und der Zuführstelle 90_1_b, in welchem das Arbeitsmedium um das Gleitlager 71 gespült wird, um das Gleitlager 71 zu kühlen. Der Kühlkanal 90_1_c kann dabei, wie in 4 gezeigt, in der Lagerbrille 30 ausgebildet sein, oder aber auch in der Lagerbuchse 9. Vorzugsweise verläuft der Kühlkanal 90_1_c das Gleitlager um mehr als 180° umlaufend, um eine vergleichsweise große Kühlfläche zu generieren. Die Abkühlung des Gleitlagers 71 hat eine Erhöhung der Viskosität des Arbeitsmediums zur Folge, so dass die Schmiereigenschaften im Schmierspalt 20_1 verbessert werden und demzufolge der Verschleiß im Gleitlager 71 verringert wird.
5 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Außenzahnradpumpe 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches eine Lagerbrille 30, eine weitere Lagerbrille 40 und eine Zwischenplatte 50 umfasst. Die Zwischenplatte 50 ist zwischen der Lagerbrille 30 und der weiteren Lagerbrille 40 angeordnet und zwischen diesen verspannt, beispielsweise verschraubt. In der Zwischenplatte 50 ist eine Ausnehmung als Arbeitsraum 6 ausgebildet. In dem Arbeitsraum 6 sind das auf der ersten Welle 21 angeordnete erste Zahnrad 11 und das auf der zweiten Welle 22 angeordnete zweite Zahnrad 12 miteinander kämmend angeordnet, so wie es dem üblichen Wirkprinzip von Außenzahnradpumpen entspricht.
In der Lagerbrille 30 bzw. in der weiteren Lagerbrille 40 sind die vier Gleitlager 71, 72, 73, 74, vorzugsweise in Form von Lagerbuchsen, für die beiden Wellen 21, 22 angeordnet:

- Ein erstes Gleitlager 71 ist in der Lagerbrille 30 zur Lagerung der ersten Welle 21 angeordnet.
- Ein zweites Gleitlager 72 ist in der weiteren Lagerbrille 40 zur Lagerung der ersten Welle 21 angeordnet.
- Ein drittes Gleitlager 73 ist in der Lagerbrille 30 zur Lagerung der zweiten Welle 22 angeordnet.
- Ein viertes Gleitlager 74 ist in der weiteren Lagerbrille 40 zur Lagerung der zweiten Welle 22 angeordnet.

Die drei Gleitlager 71, 73, 74 sind in der Ausführung der 5 in Sacklochbohrungen angeordnet, so dass keine axiale Abdichtung der Lager 71, 73, 74 zur Umgebung erforderlich ist. Das zweite Lager 72 der als Antriebswelle ausgeführten ersten Welle 21 ist quasi als Durchgangslager ausgeführt, so dass an diesem Lager 72 die erste Welle 21 durch die weitere Lagerbrille 40 bzw. ein zusätzliches Bauteil des Gehäuses 2 ragt. Dementsprechend ist zwischen der weiteren Lagerbrille 40 bzw. dem zusätzlichen Bauteil und der ersten Welle 21 ein Wellendichtring 65 angeordnet, welcher an dem Wellendurchtrieb den Arbeitsraum 6 nach außen zur Umgebung in axialer Richtung abdichtet.
Die Lagerbrille 30, die Zwischenplatte 50 und die weitere Lagerbrille 40 sind durch zwei Passstifte 59 ausgerichtet und durch Schrauben zusammen verspannt, wobei jeweils ein Dichtring 82, 83 zwischen den Lagerbrillen 30, 40 und der Zwischenplatte 50 angeordnet ist, um das Gehäuse 2 nach außen, insbesondere in radialer Richtung, abzudichten. Die Bohrungen für die Passstifte 59 sollten in beiden Lagerbrillen 30, 40 und in der Zwischenplatte 50 symmetrisch vorgesehen werden. Dadurch werden letztendlich vor allem die Gleitlager 71, 72, 73, 74 exakt zu dem in der Rahmenplatte 50 ausgebildeten Arbeitsraum 6 ausgerichtet, was insbesondere für die radiale Abdichtung zwischen der Zwischenplatte 50 und den Zahnrädern 11, 12 und für einen reibungsminimierten Lauf der Zahnräder 11, 12 sehr wichtig ist.
Die Zwischenplatte 50 bildet die radiale Abdichtung des Arbeitsraums 6 und enthält vorzugsweise die jeweiligen Anschlussverschraubungen an den Niederdruck und an den Hochdruck; in der Zwischenplatte 50 sind somit auch der Einlass 2a und der Auslass 2b ausgebildet. Die Innengeometrie der Zwischenplatte 50 sollte daher sehr genau gefertigt werden, um eine möglichst gute radiale Abdichtung zu den Zahnköpfen der beiden Zahnräder 11, 12 zu gewährleisten, so dass aus den Zahnkammern nur eine möglichst geringe Leckagemenge entweicht.
Eine axiale Abdichtung der Förderkammern bzw. Zahnkammern zwischen den Zähnen der Zahnräder 11, 12 und der Innenwand der Zwischenplatte 50 bzw. eine Minimierung der axialen Leckage erfolgt durch möglichst geringe Spalthöhen x zwischen den Stirnseiten der Zahnräder 11, 12 und der Lagerbrille 30 bzw. der weiteren Lagerbrille 40. Vorzugsweise sind die beiden Spalthöhen x auf beiden Stirnseiten der Zahnräder 11, 12 dabei gleich groß. Die Einstellung der axialen Abdichtung kann vorzugsweise durch eine Einstellscheibe 53 ermöglicht werden, welche axial zwischen der Zwischenplatte 50 und der weiteren Lagerbrille 40 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß weist die Außenzahnradpumpe 1 vier Verbindungskanäle 90_1, 90_2, 90_3, 90_4 auf, jeweils einen Verbindungskanal zum Durchspülen der vier Gleitlager 71, 72, 73, 74. Vorzugsweise sind die vier Verbindungskanäle 90_1, 90_2, 90_3, 90_4 dabei hydraulisch an einen mittleren Druck des Arbeitsraums 6 angebunden. Die Verbindungskanäle 90_1, 90_2, 90_3, 90_4 sind dazu in einem bzw. mehreren Bauteilen des Gehäuses 2 ausgebildet, beispielsweise in der Lagerbrille 30 und der weiteren Lagerbrille 40.
Vorzugsweise umfassen die Verbindungskanäle 90_1, 90_2, 90_3, 90_4 jeweils einen Kühlkanal, wie in 4 gezeigt.
Die dargestellte Außenzahnradpumpe 1 ist sehr gut für schlecht schmierende, niederviskose Arbeitsmedien geeignet, wie sie beispielsweise in Abwärmerückgewinnungssystemen für Brennkraftmaschinen verwendet werden. In besonders vorteilhaften Ausführungen ist die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1 demzufolge in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Der Brennkraftmaschine wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung aus der Brennkraftmaschine abgeführt.
Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter und eine Ventileinheit in den Kreislauf eingespeist werden. Der Sammelbehälter kann dabei alternativ auch in den Kreislauf eingebunden sein.
Der Verdampfer ist an die Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine.
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter, in den Verdampfer gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe zugeführt.
Die Speisefluidpumpe des Abwärmerückgewinnungssystems ist dabei eine Außenzahnradpumpe 1 nach einer der obigen Ausführungen. Diese eignen sich besonders gut für ein Abwärmerückgewinnungssystem, da sie auch für schlecht schmierende Arbeitsmedien mit sehr niedrigen Viskositäten geeignet sind. Durch die Verbindungskanäle 90_1, 90_2, 90_3, 90_4 vom Arbeitsraum 6 zu den vier Gleitlagern 71, 72, 73, 74 werden die Gleitlager 71, 72, 73, 74 mit Arbeitsmedium durchspült und gekühlt. Es baut sich vor dem Druckfeld des jeweiligen Gleitlagers 71, 72, 73, 74 ein Schmierkeil auf, der den Anteil der Festkörperreibung zwischen Lagerbuchse 9 und Welle 21, 22 verringert. Durch die Kühlung des Arbeitsmediums wird weiterhin dessen Viskosität erhöht, was die Schmiereigenschaften weiter verbessert. Der Verschleiß in den Gleitlagern 71, 72, 73, 74 wird dadurch deutlich reduziert.
Die Außenzahnradpumpe 1 ist zudem auch für Betriebstemperaturen geeignet, welche nahe an der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums liegen, da die Durchspülung der Gleitlager 71, 72, 73, 74 eine Temperaturerhöhung auf Verdampfungstemperatur unterbindet und somit auch die Gefahr von Kavitationserosion in den Gleitlagern 71, 72, 73, 74 minimiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4309859 A1 [0002, 0023, 0025]
DE 102013205648 A1 [0003]

Claims

Außenzahnradpumpe (1) mit einem Gehäuse (2), wobei das Gehäuse (2) einen Arbeitsraum (6) begrenzt, wobei in dem Arbeitsraum (6) ein auf einer ersten Welle (21) angeordnetes erstes Zahnrad (11) und ein auf einer zweiten Welle (22) angeordnetes zweites Zahnrad (12) miteinander kämmend angeordnet sind, wobei zur radialen Lagerung der beiden Wellen (21, 22) jeweils mindestens ein Gleitlager (71, 72, 73, 74) in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei die Gleitlager (71, 72, 73, 74) mittels je eines Verbindungskanals (90_1, 90_2, 90_3, 90_4) hydraulisch mit dem Arbeitsraum (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (90_1, 90_2, 90_3, 90_4) in dem Gehäuse (2) ausgebildet sind.
Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest eine Lagerbrille (30, 40) umfasst, wobei die Lagerbrille (30, 40) eine axiale Lagerung der beiden Zahnräder (11, 12) ausbildet.
Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass in der Lagerbrille (30, 40) zwei Lagerbuchsen (9) angeordnet sind, wobei jede Lagerbuchse (9) ein Gleitlager (71, 72, 73, 74) für je eine Welle (21, 22) ausbildet.
Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (90_1, 90_2, 90_3, 90_4) in der Lagerbrille (30, 40) ausgebildet sind.
Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (90_1, 90_2, 90_3, 90_4) jeweils eine Nut auf einer Stirnseite der Lagerbrille (30 ,40) umfassen.
Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (90_1, 90_2, 90_3, 90_4) arbeitsraumseitig in eine erste Zahnkammer des ersten Zahnrads (11) oder des zweiten Zahnrads (12) münden.
Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass lagerseitig die Verbindungskanäle (90_1, 90_2, 90_3, 90_4) in Rotationsrichtung (R21, R22) vor dem jeweiligen Druckfeld (p21, p22, p23, p24) in den zugehörigen Schmierspalt (20_1, 20_2, 20_3, 20_4) des Gleitlagers (71, 72, 73, 74) münden.
Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskanäle (90_1, 90_2, 90_3, 90_4) jeweils einen Kühlkanal (90_1_c, 90_2_c, 90_3_c, 90_4_c) umfassen, welcher das jeweilige Gleitlager (71, 72, 73, 74) außen umgebend angeordnet ist, vorzugsweise um mehr als 180° umlaufend.
Abwärmerückgewinnungssystem mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisefluidpumpe als Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist.