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Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradmaschine mit zwei Zahnrädern, die im Außeneingriff miteinander kämmen, wobei die Zahnräder von einem Gehäuse umgeben sind, das Anlagebereiche aufweist, in denen jedes Zahnrad an einer Gehäusekontur anliegt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Außenzahnradmaschine.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 208 02 A1 ist eine Zahnradmaschine mit wenigstens zwei Zahnrädern bekannt, die im Außeneingriff miteinander kämmen, wobei die Zahnräder von einem Gehäuse umgeben sind, wobei wenigstens ein Zahnrad wenigstens einen Lagerzapfen aufweist, der in einer zugeordneten Lagerbohrung drehbar aufgenommen ist, wobei die Lagerbohrung in einem gesonderten Lagerkörper angeordnet ist, wobei der Lagerkörper einen dem wenigstens einen Zahnrad zugeordneten kreiszylindrischen Außenflächenabschnitt aufweist, mit dem er an einer zugeordneten Lagerfläche anliegt, welche innen am Gehäuse angeordnet ist, wobei den Zahnköpfen der Zahnräder eine zugeordnete Dichtfläche gegenüberliegt, welche innen am Gehäuse angeordnet ist, wobei die Dichtfläche und/oder die Lagerbohrung zumindest abschnittsweise exzentrisch zu dem zugeordneten Außenflächenabschnitt des Lagerkörpers angeordnet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Außenzahnradmaschine mit zwei Zahnrädern, die im Außeneingriff miteinander kämmen, wobei die Zahnräder von einem Gehäuse umgeben sind, das Anlagebereiche aufweist, in denen jedes Zahnrad an einer Gehäusekontur anliegt, zu schaffen, die mit niedrigviskosen Medien, wie ORC-Fluiden, problemlos betrieben werden kann.
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Die Aufgabe ist bei einer Außenzahnradmaschine mit zwei Zahnrädern, die im Außeneingriff miteinander kämmen, wobei die Zahnräder von einem Gehäuse umgeben sind, das Anlagebereiche aufweist, in denen jedes Zahnrad an einer Gehäusekontur anliegt, dadurch gelöst, dass die Gehäusekontur in dem Anlagebereich für das Zahnrad eine Dichtspur aufweist. Mit der Dichtspur kann auf einfache Art und Weise eine gute Abdichtung an einem Zahnrad-Kopfkreis erreicht werden. Das Vorsehen der Dichtspur an der Gehäusekontur liefert den Vorteil, dass auf einen Einlaufvorgang ganz verzichtet werden kann. Die Außenzahnradmaschine kann besonders vorteilhaft mit niedrigviskosen Medien, wie ORC-Fluiden, betrieben werden. Dabei stehen die Großbuchstaben ORC für die englischen Begriffe Organic Ranking Cycle. Beispiele für ORC-Fluide sind Ethanol oder Cyclopentan. Die beanspruchte Außenzahnradmaschine kann auch mit einem Kältemittel, wie es in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, betrieben werden. Mit der Dichtspur kann vorteilhaft dem Problem entgegengewirkt werden, dass niedrigviskose Medien nur eine geringe oder gar keine Schmierfähigkeit aufweisen. Mit der Dichtspur wird die Gehäusekontur in dem Anlagebereich praktisch im Nachhinein um das jeweilige Zahnrad herumgebaut. Die Abmessungen und die Position des Zahnrads sind bekannt und werden zur Darstellung der Dichtspur genutzt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtspur über einen Winkelbereich Alpha erstreckt, der kleiner als 180 Grad ist und in welchem Zahnköpfe des Zahnrads dicht an der Gehäusekontur anliegen. Durch die Dichtspur kann theoretisch ein Nullspalt zwischen den Zahnköpfen des Zahnrads und der Gehäusekontur erreicht werden. Dadurch kann eine unerwünschte Leckage zwischen dem Zahnkopfkreis des Zahnrads und dem Gehäuse minimiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtspur in einer axialen Richtung etwas kleiner als die entsprechende Abmessung des Zahnrads ist. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse des jeweiligen Zahnrads. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Zahnrads. Dadurch kann im Rahmen der axialen Toleranzen sichergestellt werden, dass seitliche Lagerkörper nicht gegen aus dem Gehäuse hervorstehende Dichtzonen stoßen und so neue Spalte und Leckagen verursachen würden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusekontur zusätzlich zu einer Dichtzone zylindrische Zonen umfasst, in der sich Lagerungen für das Zahnrad an das Gehäuse anschmiegen. In der Dichtzone ist die Dichtspur angeordnet. Zwischen der Dichtzone und der zylindrischen Zone ist ein Kontursprung in der Gehäusekontur vorgesehen. Durch die zylindrischen Zonen wird die Lagerung der Außenzahnräder vereinfacht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusekontur zusätzlich zu der Dichtzone eine druckseitige Zone umfasst. Der Begriff druckseitig bedeutet einer Druckseite der Außenzahnradmaschine zugewandt. Die druckseitige Zone hat keine wesentliche hydraulische Funktion und ist vorteilhaft so gestaltet, dass die Zahnräder an der jeweiligen Dichtzone vorbei montiert werden können. Dadurch wird die Montage vereinfacht und eine einwandfreie Funktion sichergestellt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder und die Dichtzonen nur für Betriebsdrücke ausgelegt sind, die kleiner als einhundert bar sind. Die Betriebsdrücke, mit denen die Außenzahnradmaschine betrieben wird, sind vorzugsweise deutlich kleiner als einhundert bar. Dadurch werden neue Anwendungen der Außenzahnradmaschine ermöglicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder aus einem Kunststoffmaterial gebildet sind. Die Kunststoffzahnräder können auf einfache Art und Weise vorteilhaft in großen Stückzahlen, zum Beispiel im Spritzgussverfahren, hergestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist. Das Gehäuse kann ebenfalls vorteilhaft in großen Stückzahlen, zum Beispiel im Spritzgussverfahren, kostengünstig hergestellt werden.
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Die oben angegebene Aufgabe ist alternativ oder zusätzlich durch ein Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Außenzahnradmaschine als Außenzahnradpumpe, insbesondere in einem WHR-System, mit einem niedrigviskosen Medium, gelöst. Dabei stehen die Großbuchstaben WHR für die englischen Begriffe Waste Heat Recovery. Das WHR-System dient vorteilhaft zur Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Zur Nutzung der Abwärme aus dem Abgas ist in einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors ein Wärmetauscher angeordnet, der Wärme aus dem Abgas auf ein in einem Wärmekreislauf strömendes Arbeitsmedium überträgt. Das Arbeitsmedium in dem Wärmekreislauf treibt eine Expansionsmaschine an. Bei dem Wärmekreislauf handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess oder Dampfkraftprozess, der auch als Rankine-Prozess oder Clausius-Rankine-Kreisprozess bezeichnet wird. Als Expansionsmaschine wird eine Strömungsmaschine, zum Beispiel eine Turbomaschine, oder eine Verdrängermaschine, zum Beispiel eine Kolbenmaschine, eine Schraubenmaschine oder eine Scroll-Maschine, eingesetzt. In dem Kreisprozess sind des Weiteren ein Kondensator und ein Verdampfer angeordnet. Die Außenzahnradpumpe ist in dem Kreisprozess zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer angeordnet. Als Arbeitsmedium wird in dem Kreisprozess vorzugsweise ein niedrigviskoses Medium, wie ein ORC-Fluid verwendet.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Gehäuse und/oder ein Zahnrad, insbesondere ein Kunststoffzahnrad, für eine vorab beschriebene Außenzahnradmaschine. Das Gehäuse und das Zahnrad sind separat handelbar.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein System zur Rückgewinnung von Wärme aus Abgas mit einer vorab beschriebenen Außenzahnradmaschine, insbesondere einer Außenzahnradpumpe.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Darstellung einer Außenzahnradmaschine mit zwei nur angedeuteten Zahnrädern in einem ebenfalls nur angedeuteten Gehäuse;
- 2 eine vereinfachte Darstellung des Gehäuses aus 1 alleine und
- 3 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie III-III in 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Bekannte Lösungen für Außenzahnradmaschinen mit einem guten Wirkungsgrad beziehungsweise einer guten Abdichtung zwischen einem Zahnrad-Kopfkreis und einem Gehäuse-Innendurchmesser basieren auf einem radialen Einlauf beziehungsweise Einlaufen des Zahnrads in das Gehäuse hinein, wobei das Einlaufen den im Betrieb der Außenzahnradmaschine wirkenden hydraulischen Kräften folgend auf der Saugseite erfolgt. Das Einlaufen beziehungsweise der Einlauf wird durch eine geeignete Toleranzauswahl sichergestellt.
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Der Zahnrad-Kopfkreis ist bei herkömmlichen Außenzahnradmaschinen, bezogen auf die maßliche Auslegung der anderen an der Toleranzkette beteiligten Maße, bewusst etwas zu groß gefertigt und fräst daher bei der ersten Inbetriebnahme der vorzugsweise als Außenzahnradpumpe ausgeführten Außenzahnradmaschine seine individuelle Dichtzone in das Gehäuse ein. Auf diese Weise erhält jedes Pumpenexemplar der gefertigten Serie nach dem Einlaufprozess einen individuellen Nullspalt zwischen Zahnrad und Gehäuse, mit entsprechend sehr geringer Leckage an dieser Stelle.
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Der Einlaufprozess ist in Bezug auf seine Qualität charakterisiert durch Druck, Drehzahl, Viskosität, Zeitdauer, Charakter und Dauer des Druck-/Drehzahlverlaufs et cetera. Im Grunde findet durch den Einlauf eine Eliminierung der beteiligten Bauteiltoleranzen statt. Dabei wird eine Betriebsdruck-bedingte Verlagerung des Zahnrads aus der zentrischen Mitte des Lagers heraus gleich mit kompensiert.
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Daraus ergeben sich Nachteile, wie zum Beispiel Späne, die durch das Einlaufen entstehen und herausgespült werden müssen. Wenn das Herausspülen der Späne nicht vollständig gelingt, können verbleibende Späne das umgebende System im Betrieb stören.
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Darüber hinaus ist der Einlaufprozess sehr zeitintensiv und damit teuer. Da der Einlaufprozess in der Regel mit einem Schneidprozess einhergeht, muss das Zahnrad für den Einlaufvorgang eine größere Härte aufweisen als das Gehäuse. Dadurch wird die Materialauswahl beim Zahnrad empfindlich eingeschränkt, vor allem wenn die Betriebsbelastungen des Zahnrads im Grunde ein weicheres Material beziehungsweise ein Material mit einer geringeren Festigkeit erlauben würden.
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In 1 ist eine Außenzahnradmaschine 10 mit nur angedeuteten Zahnrädern 11, 12 vereinfacht dargestellt. Die Außenzahnradmaschine 10 ist als Außenzahnradpumpe mit einer Saugseite 14 und einer Druckseite 15 ausgeführt. Die Zahnräder 11, 12 sind in einem Gehäuse 20 mit Hilfe von Lagerzapfen 16, 17 in (nicht dargestellten) Lagerbrillen drehbar gelagert.
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Ein Winkel α1,2 steht für einen Umschlingungsbereich der dichtenden Zahnköpfe der Zahnräder 11, 12. Der Umschlingungsbereich α1,2 wird auch als Dichtlänge bezeichnet. Mit K1,2 ist die Kontur des jeweiligen Kopfkreises der Zahnräder 11, 12 bezeichnet. Mit G1,2 ist die Kontur des gefertigten Gehäuses vor einem Einlaufvorgang beziehungsweise ohne Einlaufen bezeichnet.
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Mit DL1,2 ist ein Durchmesser des Lagers bezeichnet, der typischerweise grob toleriert ist. Mit DZ1,2 ist ein Durchmesser eines Zahnrad-Lagerzapfens bezeichnet, der eher fein toleriert ist.
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Mit β1,2 ist eine Richtung einer resultierenden Betriebskraft F1,2 angedeutet. Mit M1,2 ist ein Mittelpunkt des jeweiligen Zahnrads 11, 12 im Betrieb bezeichnet. Mit L1,2 ist ein Mittelpunkt des jeweiligen Lagers bezeichnet.
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In 1 ist auf einer linken Seite L eine Gehäuse-Innenkontur vor einem Einlaufen des Zahnrads 11 gezeigt. Auf einer in 1 rechten Seite R ist angedeutet, dass die Gehäuse-Innenkontur in saugseitigen Anlage-Bereich des Zahnrad-Kopfkreises K2 des Zahnrads 12 so gefertigt ist, dass die Gehäuse-Innenkontur genau der Position des Zahnrads 12 im Betrieb entspricht.
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Dabei ist das Zahnrad 12 unter dem Winkel β2 ausgerichtet. So entsteht statt einer Einlaufspur eine sogenannte Dichtspur 24. Es findet kein Einlaufen mehr statt, da alle betriebsbedingten Verformungen und Verlagerungen durch die Fertigung des Gehäuses 20 mit der Dichtspur 24 vorweggenommen sind.
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Die Dichtspur 24 erstreckt sich in Umfangsrichtung über den Bereich des Winkels α2. In axialer Richtung ist die Dichtspur 24 geringfügig schmaler als das Zahnrad 12 breit ist. Dadurch wird im Rahmen der axialen Toleranzen sichergestellt, dass seitliche Lagerkörper nicht gegen die aus einer Gehäuseausnehmung hervorstehenden Dichtzonen stoßen und so neue Spalte und Leckage verursachen würden.
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Eine Radkammerausnehmung in dem Gehäuse 20 ist keine zylindrische Bohrung mehr wie bei herkömmlichen Außenzahnradmaschinen. Die Radkammerausnehmung in dem Gehäuse 20 umfasst, wie man in 2 sieht, verschiedene Zonen.
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In 2 ist das Gehäuse 20 alleine mit Gehäusekonturen 21, 22 beziehungsweise Gehäuse-Innenkonturen 21, 22 dargestellt. An den Gehäusekonturen 21, 22 ist jeweils eine Dichtspur 23, 24 ausgebildet. Die Zonen mit den Dichtspuren 23, 24 werden auch als Dichtzonen Z1 bezeichnet.
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In dem in 3 dargestellten Schnitt entlang der Linie III-III in 2 sieht man, dass die Dichtzone Z1 zwischen zylindrischen Zonen Z2 angeordnet ist. In den zylindrischen Zonen Z2 legen sich die Lagerungen für die Zahnräder radial an das Gehäuse 20 an. Die zylindrischen Zonen Z2 entsprechend dem zylindrischen Teil einer einlaufbehafteten Außenzahnradpumpe.
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Darüber hinaus umfasst das Gehäuse 20 eine druckseitige Zone Z3 . Die druckseitige Zone Z3 hat keine wesentliche hydraulische Funktion. Die druckseitige Zone Z3 ist vorteilhaft so gestaltet, dass die Zahnräder an der Dichtzone Z2 vorbei montiert werden können ohne unter Zwang zum Gehäuse 20 hin zu geraten.
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Dadurch, dass die Zahnräder nicht mehr in das Gehäusematerial hinein einlaufen, insbesondere schneiden, müssen, können die Zahnräder - sofern es die Betriebsbelastungen zulassen - aus Kunststoff gefertigt sein. Die Abdichtung der Außenzahnradmaschine mit der Dichtspur 24 ist, wie man in 1 sieht, besser als die Abdichtung einer Pumpe mit Einlaufen, weil der Umschlingungswinkel α2 größer ist als α1 .
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Die Abdichtung am Zahnrad-Kopfkreis kann weiter signifikant verbessert werden, wenn ein Abstand X2 in 1 in Richtung der resultierenden Kraft F2 unter dem Winkel β2 gezielt so gefertigt wird, dass die typischerweise großen Toleranzen von DL2 auf der gegenüberliegenden Druckseite zum Liegen kommen, wo keine Berührungen stattfinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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