DE102016225883A1

DE102016225883A1 - Zahnradpumpe für ein Abwärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE102016225883A1
Application number: DE102016225883.4A
Authority: DE
Inventors: Guido Bredenfeld; Jakob Branczeisz; Matthias Riedle
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: WO2018114080A1

Abstract

Zahnradpumpe (1), insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe (102) eines Abwärmerückgewinnungssystems (100), mit einem Pumpengehäuse (2), in dem ein Einlass (7), ein Auslass (35) und ein Arbeitsraum (6) ausgebildet sind. Dabei sind in dem Arbeitsraum (6) ein erstes Zahnrad (11) und ein zweites Zahnrad (12) miteinander kämmend angeordnet, wobei mittels des ersten Zahnrades (11) und des zweiten Zahnrades (12) ein Arbeitsmedium von dem Einlass (7) zu dem Auslass (35) in der Zahnradpumpe (1) förderbar ist. Das erste Zahnrad (11) ist mittels einer ersten Lageranordnung (36) und das zweite Zahnrad (12) ist mittels einer zweiten Lageranordnung (37) in dem Pumpengehäuse (2) gelagert. Darüber hinaus ist zur Kühlung der ersten Lageranordnung (36) und der zweiten Lageranordnung (37) in dem Pumpengehäuse (2) zwischen dem Einlass (7) und dem Arbeitsraum (6) ein Kühlkanal (8) ausgebildet, wobei der Kühlkanal (8) zumindest teilweise in der ersten Lageranordnung (36) und in der zweiten Lageranordnung (36) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe, vorzugsweise ausgeführt als Außenzahnradpumpe, insbesondere eine Speisefluidpumpe, welche in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
Stand der Technik
Speisefluidpumpen sind in vielfacher Weise aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise als Außenzahnradpumpe aus der nachveröffentlichten DE 10 2016 214 823 .
In der DE 10 2016 214 823 ist eine Außenzahnradpumpe beschrieben, welche wenigstens zwei Zahnräder aufweist, die im Außeneingriff miteinander kämmen und mit Hilfe von Lagerungen drehbar gelagert sind. Dabei ist mindestens eine der Lagerungen als Magnetlager ausgeführt. Die beiden Zahnräder sind um zwei zueinander parallel angeordnete Drehachsen in einem Gehäuse der Außenzahnradpumpe drehbar gelagert.
Bei Verwendung der Außenzahnradpumpe als Speisefluidpumpe in Abwärmerückgewinnungssystemen, wie es beispielsweise in der DE 10 2016 214 823 gezeigt ist, ist es erforderlich, die gesamte Zahnradpumpe gegen die in Abwärmerückgewinnungssystemen verwendeten aggressiven Arbeitsmedien zu schützen. Typischerweise werden niederviskose Arbeitsmedien wie Ethanol, Cyclopentan, Kältemittel oder Gemische aus Ethanol und Cyclopentan verwendet, welche fast keine Schmiereigenschaften aufweisen und daher in herkömmlichen Gleitlagern kein ausreichend tragfähiger Schmierfilm ausgebildet werden kann. Dadurch laufen die Lagerstellen permanent in einem Mischreibungsbereich, was zu einer erhöhten Wärmeentwicklung in der Lagerstelle und damit zu schnellerem Verschleiß führt. Dies beeinflusst somit die Lebensdauer der gesamten Außenzahnradpumpe. Durch Verwendung eines Magnetlagers, wie es in der DE 10 2016 214 823 gezeigt ist, wird eine berührungslose, kontaktfreie Lagerung der Zahnräder in dem Gehäuse der Außenzahnradpumpe ermöglicht. Durch die berührungslose Lagerung werden unerwünscht heiße Stellen in beziehungsweise an der Außenzahnradpumpe vermieden.
Darüber hinaus ist auch eine Lagerkühlung über das Arbeitsmedium möglich. Dabei wird aus der Fördermenge des Arbeitsmediums eine Kühlmenge abgezweigt, welche dann gezielt in Richtung der Lagerung gespült werden kann.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zahnradpumpe, insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass zur Kühlung der Lagerung der Zahnräder das gesamte Arbeitsmedium verwendet wird, so dass keine Verluste aus dem Hauptstrom des Arbeitsmediums entstehen. Dadurch kann der Wärmeentwicklung an der Lagerung der Zahnräder entgegengewirkt werden und eine höhere Lebensdauer der gesamten Zahnradpumpe erzielt werden. Darüber hinaus erweist sich diese Lösung als kostengünstiger als diejenige mit dem Magnetlager.
Dazu weist die Zahnradpumpe, insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems, ein Pumpengehäuse auf, in dem ein Einlass, ein Auslass und ein Arbeitsraum ausgebildet sind. In dem Arbeitsraum sind ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet, wobei mittels des ersten Zahnrades und des zweiten Zahnrades ein Arbeitsmedium von dem Einlass zu dem Auslass in der Zahnradpumpe förderbar ist. In dem Pumpengehäuse sind mittels einer ersten Lageranordnung das erste Zahnrad und mittels einer zweiten Lageranordnung das zweite Zahnrad gelagert. Erfindungsgemäß ist zur Kühlung der ersten Lageranordnung und der zweiten Lageranordnung in dem Pumpengehäuse zwischen dem Einlass und dem Arbeitsraum ein Kühlkanal ausgebildet, wobei der Kühlkanal zumindest teilweise in der ersten Lageranordnung und in der zweiten Lageranordnung verläuft. Dabei kann der Kühlkanal die erste Lageranordnung und/oder die zweite Lageranordnung vollständig durchdringen, so dass das Arbeitsmedium durch diese komplett hindurchfließen kann. Der Kühlkanal kann jedoch auch nur teilweise in der ersten Lageranordnung und/oder der zweiten Lageranordnung ausgebildet sein, so dass der Kühlkanal die Lageranordnungen nicht komplett durchdringt. Darüber hinaus kann der Kühlkanal teilweise auch außerhalb der Lageranordnungen ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann der Kühlkanal auch mehrere Teilkanäle umfassen.
Durch Kühlung der Lageranordnungen kann der Wärmehaushalt an den Lagern verbessert werden und führt darüber hinaus zu einem optimalen Wärmehaushalt und damit zu einer erhöhten Lebensdauer der gesamten Zahnradpumpe. Eine niedrige Temperatur an den Lagern hat eine hohe Viskosität des Arbeitsmediums zur Folge, so dass eine bessere Schmierung des Arbeitsmediums erzeugt wird. Dadurch können zur Ausbildung der Lageranordnungen bekannte Standard-Werkstoffe verwendet werden, so dass eine Kostenersparnis erzielt wird, da es aufgrund der besseren Schmierung des Arbeitsmediums nicht notwendig ist, besonders verschleißfeste Werkstoffe zu verwenden.
In erster vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kühlkanal die einzige hydraulische Verbindung zwischen dem Einlass und dem Arbeitsraum bildet.
Dies ermöglicht die Kühlung der Lageranordnungen, ohne dass dabei der Hauptstrom des Arbeitsmediums geteilt wird und dabei ein Verluststrom des Hauptstroms zur Kühlung verwendet wird. Die vorliegende Erfindung verwendet zur Kühlung der Lageranordnungen das gesamte Arbeitsmedium.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Lageranordnung das erste Zahnrad und einen ersten Lagerzapfen umfasst. Vorteilhafterweise umfasst die zweite Lageranordnung das zweite Zahnrad und einen zweiten Lagerzapfen. Dabei sind der erste Lagerzapfen und/oder der zweite Lagerzapfen vorteilhafterweise als Teil des Pumpengehäuses ausgebildet.
Dadurch sind das Zahnrad durch den ersten Lagerzapfen und das zweite Zahnrad durch den zweiten Lagerzapfen in dem Pumpengehäuse radial gelagert. Durch die radiale Lagerung des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads werden mögliche Schiefstellungen innerhalb des Pumpengehäuses und relative Schiefstellungen des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads zueinander verhindert und eine volle Funktionsfähigkeit der Zahnradpumpe gewährleistet.
In weiteren vorteilhaften Ausführungen umfasst die erste Lageranordnung das erste Zahnrad und erste Lagerbuchsen. Vorteilhafterweise umfasst die zweite Lageranordnung das zweite Zahnrad und zweite Lagerbuchsen. Darüber hinaus sind die ersten Lagerbuchsen und/oder die zweiten Lagerbuchsen vorzugsweise als Teil des Pumpengehäuses ausgebildet.
Auch die Ausführungsform der Lageranordnung mit den Lagerbuchsen führt zu einer radialen Lagerung des ersten Zahnrades und des zweiten Zahnrades, so dass Schiefstellungen im Pumpengehäuse oder Schiefstellungen der Zahnräder relativ zueinander verhindert werden und eine einwandfreie Funktionsweise der Zahnradpumpe gewährleistet ist.
Die erste Lageranordnung und die zweite Lageranordnung sind vorzugsweise als Gleitlager ausgebildet. Neben kostengünstiger Herstellung und Montage ist außerdem ein geringer Bauraum notwendig.
In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die erste Lageranordnung und die zweite Lageranordnung aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Aluminium, Messing oder Stahl, hergestellt ist und zum Korrosionsschutz eine Schicht aus einem thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise PEEK oder PAEK, aufweist.
Dies hat den Vorteil, dass der Wärmetransport aus dem Kühlkanal in die Lageranordnung verbessert wird, so dass die Temperatur in der Lageranordnung gesenkt werden kann. Zum Schutz der Lageranordnung gegen seine Umgebung und gegen das Arbeitsmedium kann die Lageranordnung vorzugsweise eine Schicht aus einem thermoplastischen Kunststoff wie beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon) oder PAEK (Polyaryletherketone) aufweisen. Die Dicke der Schicht ist vorzugsweise so gewählt, dass sie der Wärmeleitfähigkeit des Materials der Lageranordnung nicht entgegenwirkt.
Viele Kunststoffe, wie vorzugsweise PEEK oder PAEK, sind sehr resistent gegenüber aggressiven Medien und weisen gleichzeitig sehr gute tribologische Eigenschaften auf. Kunststoffe korrodieren nicht. Die Lebensdauer der Zahnradpumpe wird dadurch erhöht. Insbesondere in der Anwendung für Arbeitsmedien eines Abwärmerückgewinnungssystems sind Kunststoffe daher sehr geeignet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem ersten Zahnrad und/oder in dem zweiten Zahnrad mindestens eine Durchgangsöffnung, vorzugsweise eine Querbohrung, ausgebildet, über welche Arbeitsmedium aus dem Kühlkanal über einen Teilkanal des Kühlkanals in den Arbeitsraum eintreten kann.
Durch die Durchgangsöffnungen in dem ersten Zahnrad und/oder dem zweiten Zahnrad kann so Arbeitsmedium hindurchfließen und kann die Lageranordnung zusätzlich über das Material der Zahnräder, durch Wärmeleitfähigkeit, abkühlen und somit den Wärmehaushalt an der Lageranordnung regeln.
Vorzugsweise umfasst das Pumpengehäuse einen vorderen Pumpenkörper und einen hinteren Pumpenkörper. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung und Montage der Zahnradpumpe.
In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Pumpengehäuse Anlaufplatten angeordnet sind, wodurch das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad über das Pumpengehäuse in dem Arbeitsraum axial gelagert sind. Vorzugsweise sind auch die Anlaufplatten zur Resistenz gegenüber aggressiven Medien aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise PEEK, oder Graphit hergestellt.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass zur Druckniveauregulierung in dem Pumpengehäuse eine Axialfelddichtung angeordnet ist. Vorzugsweise ist diese zwischen dem vorderen Pumpenkörper und dem hinteren Pumpenkörper gelagert und schließt direkt an die Anlaufplatten an. Unterschiedliche Druckbereiche auf der Rückseite der Anlaufplatten werden so gegeneinander abgedichtet.
Zusätzlich zu der radialen Lagerung der Zahnräder durch die Lagerzapfen oder die Lagerbuchsen sind die Zahnräder zur Stabilisierung und einer präzisen Ausrichtung der Zahnräder innerhalb der Zahnradpumpe und für eine volle Funktionsfähigkeit der Zahnradpumpe über das Pumpengehäuse, vorzugsweise die Anlaufplatten, axial gelagert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Pumpengehäuse, vorzugsweise in dem hinteren Pumpenkörper, ein Ablaufkanal ausgebildet ist, über welchen Arbeitsmedium leckagebedingt aus dem Arbeitsraum über einen Schmierspalt in den Kühlkanal geleitet werden kann. Dieser Schmierspalt entsteht dabei durch die Förderung des Arbeitsmediums über die Zahnräder durch den Arbeitsraum.
Zahnradpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe als Außenzahnradpumpe ausgeführt ist. Diese sind in ihrer Fertigung sehr kostengünstig und weisen ein robustes Betriebsverhalten auf.
Zahnradpumpen, speziell Außenzahnradpumpen, eignen sich sehr gut für die Anwendung in Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen und beim Einsatz von niederviskosen Arbeitsmedien. Daher ist die erfindungsgemäße Zahnradpumpe sehr vorteilhaft in einem Abwärmerückgewinnungssystem verwendbar. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen das 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 Zahnradpumpe mit den vorhergehend beschriebenen Merkmalen ausgeführt.
Neben der hohen Chemikalienbeständigkeit weist die Zahnradpumpe eine robuste Bauart, eine kostengünstige Fertigung und zusätzlich einen hohen Verschleißschutz auf.
Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt in

1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Außenzahnradpumpe in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe mit einer Lageranordnung aus Zahnrädern und Lagerzapfen,
3 Schnittansicht einer ähnlichen Ausführungsform der Zahnradpumpe aus der 2 mit einer Schnittebene A-A,
4 Schnittansicht einer ähnlichen Ausführungsform der Zahnradpumpe aus der 2 mit einer Schnittebene B-B,
5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe mit einer Lageranordnung aus Zahnrädern und Lagerbuchsen,
6 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Zahnradpumpe 1, ausgeführt als Außenzahnradpumpe, aus dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Zahnradpumpe 1 umfasst ein Pumpengehäuse 2, einen Deckel 3 und einen Bodenflansch 4. Der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 sind unter Zwischenlage des Pumpengehäuses 2 durch vier Schrauben 5 miteinander verspannt. Das Pumpengehäuse 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 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. Die erste Welle 21 dient dabei 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 und 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 Pumpengehäuse 2 angeordnet: Eine Dichtung 28 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Bodenflansch 4, und eine weitere Dichtung 29 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Deckel 3. Beide Dichtungen 28, 29 verlaufen etwa ringförmig über den Umfang des Pumpengehäuses 2 und sind üblicherweise in entsprechenden Nuten angeordnet.
Weiterhin ist zwischen der Lagerbrille 30 und dem Bodenflansch 4 eine Axialfelddichtung 18 angeordnet, und zwischen der weiteren Lagerbrille 40 und dem Deckel 3 ist eine weitere Axialfelddichtung 19 angeordnet. Die beiden Axialfelddichtungen 18, 19 stellen zum einen eine axiale Lagerung der beiden Lagerbrillen 30, 40 innerhalb des Pumpengehäuses 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 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1 in einer Schnittdarstellung. Dabei sind Bauteile gleicher Funktion mit denselben Bezugsziffern versehen wie in 1. Das Pumpengehäuse 2 der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1 umfasst einen vorderen Pumpenkörper 13 und einen hinteren Pumpenkörper 14. Zur Gewährleistung der optimalen Abdichtung der gesamten Zahnradpumpe 1 zur Umgebung sind in dem vorderen Pumpenkörper 13 und dem hinteren Pumpenkörper 14 Gehäusedichtungen 20 angeordnet. Außerdem sind in dem hinteren Pumpenkörper 14 das erste Zahnrad 11 und das zweite Zahnrad 12 miteinander kämmend in dem Arbeitsraum 6 angeordnet. Zur axialen Lagerung des ersten Zahnrades 11 und des zweiten Zahnrades 12 sind in dem Pumpengehäuse 2 Anlaufplatten 24 ausgebildet. Zwischen dem vorderen Pumpenkörper 13 und dem hinteren Pumpenkörper 14 ist direkt an den Anlaufplatten 24 eine Axialfelddichtung 10 angeordnet, welche druckunterschiedliche Bereiche auf der Rückseite der Anlaufplatten 24 gegeneinander abdichtet.
Der vordere Pumpenkörper 13 weist eine Ausnehmung 16 auf, in welcher eine Antriebswelle 44 des ersten Zahnrades 11 aufgenommen ist. Das erste Zahnrad 11 umfasst in 2 die Antriebswelle 44 und ist daher mit dieser einteilig ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Antriebswelle 44 und das erste Zahnrad 11 zweiteilig ausgebildet sind und fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch einen Pressverband.
In dem Pumpengehäuse 2 sind weiterhin eine erste Lageranordnung 36 und eine zweite Lageranordnung 37 angeordnet. Die erste Lageranordnung 36 umfasst das erste Zahnrad 11 und einen ersten Lagerzapfen 25. Dabei ist das erste Zahnrad 11 an dem ersten Lagerzapfen 25 radial gelagert. Die zweite Lageranordnung 37 umfasst das zweite Zahnrad 12 und einen zweiten Lagerzapfen 38. Das zweite Zahnrad 12 ist dabei an dem zweiten Lagerzapfen 38 radial gelagert. Der erste Lagerzapfen 25 und der zweite Lagerzapfen 38 sind als Teil des Pumpengehäuses 2 ausgebildet.
In dem vorderen Pumpenkörper 13 und dem hinteren Pumpenkörper 14 ist ein Kühlkanal 8 ausgebildet, welcher mit einem Einlass 7 und einem Auslass 35 in dem vorderen Pumpenkörper 13 verbunden ist. Der Kühlkanal 8 teilt sich nach dem Einlass 7 in einen ersten Teilkühlkanal 80 und einen zweiten Teilkühlkanal 800 auf, wobei der erste Teilkühlkanal 80 durch die erste Lageranordnung 36 und der zweite Teilkühlkanal 800 durch die zweite Lageranordnung 37 verläuft und diese durchdringt. Weiterhin sind in dem ersten Zahnrad 11 in der Antriebswelle 44 Durchgangsöffnungen 17, beispielsweise Querbohrungen, ausgebildet. Diese Durchgangsöffnungen 17 verbinden den Kühlkanal 8 mit einem Teilkanal 15 des Kühlkanals 8, wobei der Teilkanal 15 mit dem Arbeitsraum 6 verbunden und im vorderen Pumpenkörper 13 ausgebildet ist. Das durch den ersten Teilkühlkanal 80 und den zweiten Teilkühlkanal 800 strömende Arbeitsmedium wird in dem Teilkanal 15 des Kühlkanals 8 wieder zusammengeführt.
In dem hinteren Pumpenkörper 14 sind Ablaufkanäle 23 ausgebildet, welche den Arbeitsraum 6 über einen Schmierspalt 43 mit dem ersten Teilkühlkanal 80 und dem zweiten Teilkühlkanal 800 verbinden, so dass Arbeitsmedium leckagebedingt aus dem Arbeitsraum 6 über einen Schmierspalt 43 in den ersten Teilkühlkanal 80 und/oder den zweiten Teilkühlkanal 800 geleitet werden kann und eine Lagerdurchspülung erfolgt. Der Schmierspalt 43 ist dabei zwischen dem ersten Zahnrad 11 und dem ersten Lagerzapfen 25 bzw. dem zweiten Zahnrad 12 und dem zweiten Lagerzapfen 38 ausgebildet.
3 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Zahnradpumpe 1 aus der 2 mit einer Schnittebene A-A in einer ähnlichen Ausführungsform. Dabei sind Bauteile gleicher Funktion mit denselben Bezugsziffern versehen wie in 2. In 3 ist die Ausnehmung 16 für die Antriebswelle 44 des ersten Zahnrades 11 in dem Pumpengehäuse 2 gezeigt, wobei diese Ausnehmung 16 mit dem Teilkanal 15 des Kühlkanals 8 fluidisch verbunden ist. Dabei verläuft der Teilkanal 15 des Kühlkanals in dieser Ausführungsform um die Ausnehmung 16. Der Auslass 35 ist mittels der Axialfelddichtung 10 von dem Teilkanal 15 des Kühlkanals 8 getrennt, so dass kein Druckniveauausgleich zwischen dem Auslass 35 und dem Teilkanal 15 des Kühlkanals 8 hergestellt wird. In der 3 ist die Axialfelddichtung 10 im vorderen Pumpenkörper 13 angeordnet statt, wie in der 2 gezeigt, in den Anlaufplatten 24. Dadurch werden die Anlaufplatten 24 weniger geschwächt. Außerdem können volumetrische Verluste, welche durch eine geschlossene Form der Axialfelddichtung 10, wie in 2, entstehen, durch eine offene Form der Axialfelddichtung 10, wie in 3, reduziert werden.
4 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Zahnradpumpe 1 aus der Fis.2 mit einer Schnittebene B-B in einer ähnlichen Ausführungsform. Dabei sind Bauteile gleicher Funktion mit denselben Bezugsziffern versehen wie in 2. 4 zeigt einen ersten Hohlraum 32 für das erste Zahnrad 11 mit der Antriebswelle 44 und einen zweiten Hohlraum 33 für das zweite Zahnrad 12. Außerdem sind sowohl der Teilraum 15 des Kühlkanals 8, der erste Teilkühlkanal 80 und der zweite Teilkühlkanal 800 als auch der Kühlkanal 8 selbst sowie der Einlass 7 und der Auslass 35 gezeigt. Die Lagerung des ersten Zahnrades 11 an dem ersten Lagerzapfen 25 und die Lagerung des zweiten Zahnrades 12 an dem zweiten Lagerzapfen 38 sind ebenso dargestellt.
Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels
Während des Betriebs der Zahnradpumpe 1 tritt Arbeitsmedium durch den Einlass 7 in den Kühlkanal 8 ein. Dieses teilt sich nun in den ersten Teilkühlkanal 80 und den zweiten Teilkühlkanal 800 auf, so dass das Arbeitsmedium die erste Lageranordnung 36 und die zweite Lageranordnung 37 durchdringt und das erste Zahnrad 11 und den ersten Lagerzapfen 25 sowie das zweite Zahnrad 12 und den zweiten Lagerzapfen 38 durch- und umströmt bis es in den Arbeitsraum 6 eintritt. Des Weiteren durchströmt das Arbeitsmedium auch die Antriebswelle 44 des ersten Zahnrades 11 über die Durchgangsöffnungen 17 und tritt so über einen Teilkanal 15 in den Arbeitsraum 6 ein. In dem Arbeitsraum 6 wird das Arbeitsmedium mittels des ersten Zahnrades 11 und des zweiten Zahnrades 12 in Richtung des Auslasses 35 gefördert.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1. Dabei sind Bauteile gleicher Funktion mit denselben Bezugsziffern versehen wie in 2. 5 zeigt die erfindungsgemäße Zahnradpumpe 1 mit der ersten Lageranordnung 36 und der zweiten Lageranordnung 37. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Lageranordnung 36 das erste Zahnrad 11 und erste Lagerbuchsen 39, wobei die zweite Lageranordnung 37 das zweite Zahnrad 12 und zweite Lagerbuchsen 41 umfasst. Die ersten Lagerbuchsen 39 und die zweiten Lagerbuchsen 41 sind dabei in das Pumpengehäuse 2 eingesetzt. Dadurch sind das erste Zahnrad 11 und das zweite Zahnrad 12 in dem Pumpengehäuse 2 radial gelagert. Das erste Zahnrad 11 und das zweite Zahnrad 12 sind dabei miteinander kämmend in dem Arbeitsraum 6 angeordnet. Alternativ können die ersten Lagerbuchen 39 und die zweiten Lagerbuchsen 41 in dem Pumpengehäuse 2 angeordnet sein und einen Teil des Pumpengehäuses 2 bilden.
Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels
Der Kühlkanal 8 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel durch das erste Zahnrad 11 und das zweite Zahnrad 12, wobei die Funktionsweise der Zahnradpumpe 1 dieselbe ist wie in der 2. Das Arbeitsmedium tritt über den Einlass 7 in den Kühlkanal 8 ein und durch- und umströmt so die erste Lageranordnung 36 und die zweite Lageranordnung 37. Dabei ist der erste Teilkühlkanal 80 des Kühlkanals 8 in dem ersten Zahnrad 11 und der zweite Teilkühlkanal 800 des Kühlkanals 8 in dem zweiten Zahnrad 12 ausgebildet. Auch der Teilkanal 15 des Kühlkanals 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel wie in der 2 mit dem Arbeitsraum 6 verbunden und führt das Arbeitsmedium aus dem ersten Teilkühlkanal 80 und dem zweiten Teilkühlkanal 800 wieder zusammen. Das gesamte Arbeitsmedium gelangt somit auch über den Teilkanal 15 des Kühlkanals 8 in den Arbeitsraum 6.
Das erste Zahnrad 11 und das zweite Zahnrad 12 fördern das Arbeitsmedium durch den Arbeitsraum in den Auslass 35.
Zur einfachen Darstellung der Ausführungsform der Zahnradpumpe 1 in der 5 sind sowohl der Einlass 7, der Kühlkanal 8, der Arbeitsraum 6 als auch der Teilkanal 15 des Kühlkanals 8 und der Auslass 35 in eine Ebene gezeichnet worden. Es ist ersichtlich, dass insbesondere der Teilkanal 15 des Kühlkanals 8, der Arbeitsraum 6 und der Auslass 35 technisch gesehen nicht in einer Ebene liegen können. 5 zeigt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1 daher zur Veranschaulichung in vereinfachter schematischer Darstellung.
Im Ausführungsbeispiel in der 2 ist der Kühlkanal 8 teilweise in den beiden Lagerzapfen 25, 38 ausgebildet, wohingegen im Ausführungsbeispiel in der 5 der Kühlkanal 8 teilweise in den beiden Zahnrädern 11, 12 ausgebildet ist. Je nach Ausführungsform der Lageranordnungen 36, 37 der Zahnradpumpe 1 wird der Kühlkanal 8 entsprechend angepasst, damit dieser in den Lageranordnungen 36, 37 verläuft. Dabei wird in jedem Ausführungsbeispiel das gesamte Arbeitsmedium dazu verwendet, direkt nach dem Einlass 7 mittels eines Kühlkanals 8 die Lageranordnungen 36, 37 zur Kühlung zu um- oder durchströmen. Dabei kann der Kühlkanal 8 mehrere Teilkühlkanäle 80, 800 umfassen. Vorteilhafterweise wird das Arbeitsmedium vor Eintritt in die Zahnradpumpe 1 vorgekühlt und weist damit die niedrigste für das Medium vorkommende Temperatur am Einlass 7 der Zahnradpumpe 1 auf.
Die Ausbildung des Kühlkanals 8 kann dabei variabel gestaltet werden, solange der Kühlkanal 8 zumindest teilweise in den Lageranordnungen 36, 37 verläuft und der Kühlkanal 8 darüber hinaus auch zwischen dem Einlass 7 und dem Arbeitsraum 6 angeordnet ist. Dabei bildet der Kühlkanal 8 die einzige hydraulische Verbindung zwischen dem Einlass 7 und dem Arbeitsraum 6.
In den Ausführungsbeispielen der 2 und der 5 ist die Zahnradpumpe 1 als Außenzahnradpumpe ausgebildet. Die Zahnräder 11, 12 fördern daher ein Arbeitsmedium entlang einer Gehäuseinnenwand des Pumpengehäuses 2. Generell ist es jedoch auch möglich, die erfindungsgemäße Zahnradpumpe 1 als Innenzahnradpumpe auszuführen.
6 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.
Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110.
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 102 zugeführt.
Erfindungsgemäß eignen sich die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen der Zahnradpumpe 1 sehr gut für die Verwendung als Speisefluidpumpe 102 innerhalb des Abwärmerückgewinnungssystems 100, da das dort verwendete Arbeitsmedium niederviskos und sehr aggressiv und ist und die Funktion der chemischen Beständigkeit für die Speisefluidpumpe 102 sehr wichtig ist. Insgesamt wird somit auch die Lebensdauer der Zahnradpumpe 1, 102 bzw. des gesamten Abwärmerückgewinnungssystems 100 erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016214823 [0002, 0003, 0004]

Claims

Zahnradpumpe (1), insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe (102) eines Abwärmerückgewinnungssystems (100), mit einem Pumpengehäuse (2), in dem ein Einlass (7), ein Auslass (35) und ein Arbeitsraum (6) ausgebildet sind, wobei in dem Arbeitsraum (6) ein erstes Zahnrad (11) und ein zweites Zahnrad (12) miteinander kämmend angeordnet sind, wobei mittels des ersten Zahnrades (11) und des zweiten Zahnrades (12) ein Arbeitsmedium von dem Einlass (7) zu dem Auslass (35) in der Zahnradpumpe (1) förderbar ist, wobei das erste Zahnrad (11) mittels einer ersten Lageranordnung (36) und das zweite Zahnrad (12) mittels einer zweiten Lageranordnung (37) in dem Pumpengehäuse (2) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der ersten Lageranordnung (36) und der zweiten Lageranordnung (37) in dem Pumpengehäuse (2) zwischen dem Einlass (7) und dem Arbeitsraum (6) ein Kühlkanal (8) ausgebildet ist, wobei der Kühlkanal (8) zumindest teilweise in der ersten Lageranordnung (36) und in der zweiten Lageranordnung (37) verläuft.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (8) die einzige hydraulische Verbindung zwischen dem Einlass (7) und dem Arbeitsraum (6) bildet.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lageranordnung (36) das erste Zahnrad (11) und einen ersten Lagerzapfen (25) umfasst.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lageranordnung (37) das zweite Zahnrad (12) und einen zweiten Lagerzapfen (38) umfasst.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerzapfen (25) und/oder der zweite Lagerzapfen (38) als Teil des Pumpengehäuses (2) ausgebildet sind.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lageranordnung (36) das erste Zahnrad (11) und erste Lagerbuchsen (39) umfasst.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lageranordnung (37) das zweite Zahnrad (12) und zweite Lagerbuchsen (41) umfasst.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Lagerbuchsen (39) und/oder die zweiten Lagerbuchsen (41) als Teil des Pumpengehäuses (2) ausgebildet sind.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lageranordnung (36) und die zweite Lageranordnung (37) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Aluminium, Messing oder Stahl, hergestellt ist und zum Korrosionsschutz eine Schicht aus einem thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise PEEK oder PAEK, aufweist.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Zahnrad (11) und/oder in dem zweiten Zahnrad (12) mindestens eine Durchgangsöffnung (17), vorzugsweise eine Querbohrung, ausgebildet ist, über welche Arbeitsmedium aus dem Kühlkanal (8) über einen Teilkanal (15) des Kühlkanals (8) in den Arbeitsraum (6) eintreten kann.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pumpengehäuse (2) Anlaufplatten (24) angeordnet sind, wodurch das erste Zahnrad (11) und das zweite Zahnrad (12) über das Pumpengehäuse (2) in dem Arbeitsraum (6) axial gelagert sind.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pumpengehäuse (2) eine Axialfelddichtung (10) angeordnet ist.
Zahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pumpengehäuse (2) mindestens ein Ablaufkanal (23) ausgebildet ist, über welchen Arbeitsmedium leckagebedingt aus dem Arbeitsraum (6) über einen Schmierspalt (43), welcher insbesondere in der ersten Lageranordnung (36) und der zweiten Lageranordnung (37) ausgebildet ist, in den Kühlkanal (8) geleitet werden kann.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (1) als Außenzahnradpumpe ausgeführt ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem das Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisefluidpumpe (102) als Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist.