DE102017209553A1

DE102017209553A1 - Zahnradpumpe für ein Abwärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE102017209553A1
Application number: DE102017209553.9A
Authority: DE
Inventors: Anselm Koch; Gerhard Lutz; Jakob Branczeisz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-13
Also published as: WO2018224200A1

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 auf einer Welle (21, 44) angeordnet oder mit dieser einstückig ausgebildet. In der Welle (21, 44) ist eine Kühlbohrung (45) ausgebildet. Die Kühlbohrung (45) ist fluidisch mit dem Einlass (7) verbunden. In der Kühlbohrung (45) ist ein Förderrad (100, 110, 120) zur Förderung des Arbeitsmediums angeordnet.

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. Eine Kühlung der Zahnradpumpe erhöht deren Lebensdauer, da dadurch die Viskosität des Arbeitsmediums nicht noch weiter abfällt und sich dementsprechend die Schmiereigenschaften nicht noch weiter verschlechtern.
Gegenstand der Erfindung ist eine optimierte Kühlung der Zahnradpumpe, insbesondere auch eine Kühlung der Lagerungen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zahnradpumpe, insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems, weist eine optimierte Kühlung auf, indem kühles Arbeitsmedium durch eine Kühlbohrung in einer Welle eines Zahnrads geführt wird und die Strömung in der Kühlbohrung durch ein Förderrad unterstützt wird, so dass der Wärmeübergangskoeffizient von der Welle in das Arbeitsmedium steigt.
Dazu weist die Zahnradpumpe 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 förderbar ist. Das erste Zahnrad ist auf einer Welle angeordnet oder mit dieser einstückig ausgebildet. In der Welle ist eine Kühlbohrung ausgebildet. Die Kühlbohrung ist fluidisch mit dem Einlass verbunden. In der Kühlbohrung ist ein Förderrad zur Förderung des Arbeitsmediums angeordnet.
Dabei kann die Kühlbohrung die Welle auch vollständig durchdringen, so dass das Arbeitsmedium durch diese komplett hindurchfließen kann. Vorzugsweise sollte die Kühlbohrung dabei so gestaltet sein, dass eine hohe Strömungsgeschwindigkeit - und damit ein hoher Wärmeübergangskoeffizient - an einer möglichst großen Fläche der Welle realisiert wird. Üblicherweise wird die Welle mittels einer Lageranordnung gelagert, welche durch die Kühlung der Welle zumindest mittelbar ebenfalls gekühlt wird.
Das sich mit der Welle drehende Förderrad stellt eine Art Strömungspumpe dar, welche die Strömung des als Kühlmedium verwendeten Arbeitsmediums durch die Kühlbohrung verstärkt bzw. sogar erzeugt - dies hängt von den Druckverhältnissen in der Zahnradpumpe ab. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich der Wärmeübergangskoeffizient von der Welle in das Kühlmedium, so dass der Kühleffekt steigt.
Vorzugsweise ist die Kühlbohrung stromaufwärts des Arbeitsraums angeordnet. Dadurch wird das Kühl- bzw. Arbeitsmedium mit einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau verwendet, so dass der Kühleffekt gesteigert ist.
Vorteilhafterweise bildet die Kühlbohrung die einzige fluidische Verbindung zwischen dem Einlass und dem Arbeitsraum. Dadurch fließt das gesamte - vergleichsweise kühle - Arbeitsmedium durch die Kühlbohrung, so dass die Strömungsgeschwindigkeit - und mit ihr der Wärmeübergangskoeffizient - vergleichsweise hoch ist. Die Kühlwirkung ist dadurch verbessert.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Kühlbohrung stromabwärts des Einlasses und stromaufwärts des Arbeitsraums angeordnet. Dadurch wird nicht verdichtetes und damit auch nicht erhitztes Arbeitsmedium durch die Kühlbohrung geführt. Der wirksame Temperaturgradient zwischen dem Arbeitsmedium und der Welle ist somit vergleichsweise hoch, wodurch die Kühlwirkung optimiert wird.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Welle mittels einer Lageranordnung in dem Pumpengehäuse gleitgelagert. Vorzugsweise ist die Lageranordnung dazu die Welle radial umgebend angeordnet, so dass eine Kühlung der Welle auch zu einer Kühlung der Lageranordnung führt. Die Lageranordnung kann dazu beispielsweise eine Lagerbuchse oder eine Lagerbrille sein. Die Lageranordnung kann weiterhin auch ein an dem Pumpengehäuse ausgebildeter Lagerzapfen sein, wobei die Kühlbohrung dann auf dem Lagerzapfen geführt ist und gleichzeitig zumindest teilweise eine Lagerfläche darstellt. Durch die beschriebene Ausführung wird die Kühlleistung innerhalb der Lageranordnung maximiert, so dass sehr effizient die Verlustwärme bzw. Reibwärme aus den gefährdeten Kontaktstellen - nämlich insbesondere aus der Lageranordnung - ausgetragen wird. Dies geschieht durch die Erhöhung der wirksamen Oberflächen der Kühlbohrung bei gleichzeitigem aktivem Durchströmen dieser mit vergleichsweise kühlem Arbeitsmedium. Das ohnehin bereits vorhandene Arbeitsmedium wird somit vorteilhaft genutzt; der Förderstrom des Arbeitsmediums durch die Kühlbohrung wird durch das Förderrad verstärkt.
Durch die Anhebung bzw. das Konstant-Halten der Viskosität des Arbeitsmediums wird also der Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms ermöglicht bzw. ein Verdampfen des Arbeitsmediums verhindert. Durch die 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 durch das Arbeitsmedium 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 mehr notwendig ist, besonders verschleißfeste Werkstoffe zu verwenden. Jedoch wirkt sich auch für Gleitlager mit höher belastbaren Lagerwerkstoffen, die einen dauerhaften Betrieb bei Mischreibung ermöglichen, eine Verbesserung des Temperaturhaushalts positiv aus, wenn die Viskosität des in den Kontaktstellen vorhandenen Arbeitsmediums durch die abgekühlte vergleichsweise niedrige Temperatur vergleichsweise hoch bleibt.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Zahnradpumpe weist das Förderrad eine Mehrzahl von Förderschaufeln - vorzugsweise vier Förderschaufeln - auf. Dies stellt eine besonders wirkungsvolle Ausführung zur Unterstützung bzw. zur Erzeugung der Strömung des Arbeitsmediums durch die Kühlbohrung dar.
Vorteilhafterweise weist das Förderrad einen Innenring mit einer darin ausgebildeten Zusatzbohrung auf. Dadurch wird eine Strömung des Arbeitsmediums durch die Zusatzbohrung ermöglicht. Dies ist insbesondere bei der Be- und Entfüllung der Zahnradpumpe von Vorteil, da dies so ohne eine Rotation der Welle bzw. des beschaufelten Förderrads geschehen kann.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist das zweite Zahnrad auf einer weiteren Welle angeordnet oder mit dieser einstückig ausgebildet. In der weiteren Welle ist eine weitere Kühlbohrung ausgebildet, wobei die weitere Kühlbohrung fluidisch mit dem Einlass verbunden ist. In der weiteren Kühlbohrung ist ein weiteres Förderrad zur Förderung des Arbeitsmediums angeordnet. Die weitere Welle wird vorzugsweise also analog zur Welle des ersten Zahnrads gekühlt. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für eine weitere Lageranordnung. In vorteilhaften Ausführungen sind die verwendeten Förderräder dazu baugleich.
In vorteilhaften Ausführungen ist die weitere Kühlbohrung stromabwärts des Einlasse und stromaufwärts der Kühlbohrung angeordnet. Dadurch sind die beiden Kühlbohrungen in Reihe geschaltet, so dass das Arbeitsmedium mit maximaler Strömungsgeschwindigkeit durch sie strömen kann. Dementsprechend hoch sind die beiden Wärmeübergangskoeffizienten in die beiden Kühlbohrungen.
In alternativen Ausführungen ist die weitere Kühlbohrung parallel zu der Kühlbohrung angeordnet. Dadurch weist das Kühlmedium in beiden Kühlbohrungen eine vergleichsweise niedrige Temperatur auf.
Vorteilhafterweise ist die Welle - und optional auch die weitere Welle - aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Vorzugsweise ist das Material ein Edelstahl. Dadurch ist die Wärmeleitung maximiert, dies ist insbesondere für die Wärmeabfuhr aus den Lageranordnungen von Vorteil.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Welle mindestens eine Durchgangsöffnung, vorzugsweise eine Querbohrung, ausgebildet, über welche das Arbeitsmedium aus der Kühlbohrung zu dem Arbeitsraum strömen kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Kühlbohrung nicht als Durchgangsbohrung, sondern als Sacklochbohrung ausgeführt ist, beispielsweise für den Fall, dass die Welle die Antriebswelle der Zahnradpumpe darstellt.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Zahnradpumpe als Außenzahnradpumpe ausgeführt. 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.
Vorteilhafterweise ist die Zahnradpumpe dabei stromabwärts des Kondensators und stromaufwärts des Verdampfers angeordnet, also im kältesten Bereich des Kreislaufs; dadurch ist die Kühlwirkung des durch die Kühlbohrung strömenden Arbeitsmediums maximiert.
Figurenliste
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, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
3 eine Schnittansicht einer ähnlichen Ausführungsform der Zahnradpumpe aus der 2 mit einer Schnittebene A-A,
4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
5 einen Schnitt durch noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
6 ein Förderrad in perspektivischer Ansicht,
7 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

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 Welle 21 befestigt und das zweite Zahnrad 12 auf einer zur Welle 21 parallelen weiteren Welle 22. Die Welle 21 dient dabei als Antriebswelle und ist mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden, beispielsweise einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Dazu ragt die 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 ist in dem Pumpengehäuse 2 eine Anlaufplatte 24 angeordnet. Zwischen dem vorderen Pumpenkörper 13 und dem hinteren Pumpenkörper 14 ist direkt an der Anlaufplatte 24 eine Axialfelddichtung 10 angeordnet, welche druckunterschiedliche Bereiche auf der Rückseite der Anlaufplatte 24 gegeneinander abdichtet.
Der vordere Pumpenkörper 13 weist eine Ausnehmung 16 auf, in welcher eine Welle 21 bzw. Antriebswelle 44 des ersten Zahnrades 11 aufgenommen ist. Das erste Zahnrad 11 ist in der Ausführung der 2 auf die Antriebswelle 44 aufgepresst. Es ist jedoch auch möglich, dass die Antriebswelle 44 und das erste Zahnrad 11 einteilig ausgebildet sind.
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 bzw. die Antriebswelle 44 und einen ersten Lagerzapfen 25. Dabei ist das erste Zahnrad 11 und/oder die Antriebswelle 44 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.
In der Welle 21 bzw. Antriebswelle 44, genauer in einer darin ausgebildeten Kühlbohrung 45, ist ein Förderrad 100 angeordnet, wobei die Kühlbohrung 45 einen Bereich des Kühlkanals 8 darstellt. Dadurch wird das Arbeitsmedium mit niedrigem Temperaturniveau vom Einlass 7 durch den Kühlkanal 8 bzw. den ersten Teilkühlkanal 80 angesaugt und kühlt so die erste Lageranordnung 36 zwischen dem ersten Zahnrad 11 bzw. der Antriebswelle 44 und dem ersten Lagerzapfen 25. Die Kühlung erfolgt dabei durch erzwungene Konvektion an der Kühlbohrung 45 bzw. an der Wandung des ersten Teilkühlkanals 80.
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 8 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.
In der Kühlbohrung 45 ist das Förderrad 100 angeordnet, beispielsweise eingepresst. Das Förderrad 100 weist in der Ausführung der 3 vier Schaufeln 101 auf, welcher einer Förderung des Arbeitsmediums durch den Kühlkanal 8 bzw. durch den ersten Teilkühlkanal 80 dienen.
Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach 2 und 3:
Während des Betriebs der Zahnradpumpe 1 tritt Arbeitsmedium durch den Einlass 7 in den Kühlkanal 8 ein. Das Arbeitsmedium strömt nun in den ersten Teilkühlkanal 80 und den zweiten Teilkühlkanal 800, 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 durchströmt 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. Das mit der Antriebswelle 44 rotierende Förderrad 100 erzeugt bzw. unterstützt die Strömung des Arbeitsmediums durch den Kühlkanal 8. In dem Arbeitsraum 6 wird das Arbeitsmedium mittels des ersten Zahnrades 11 und des zweiten Zahnrades 12 in Richtung des Auslasses 35 gefördert.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1. Dabei sind Bauteile gleicher Funktion mit denselben Bezugsziffern versehen wie in 2. 4 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 beiden Wellen 21, 22 sind in dieser Ausführung jeweils einstückig mit dem zugehörigen Zahnrad 11, 12 ausgeführt, können alternativ aber auch zweistückig ausgeführt sein. Die beiden ersten Lagerbuchsen 39 und die beiden zweiten Lagerbuchsen 41 sind dabei in das Pumpengehäuse 2 eingesetzt, beispielsweise eingepresst. 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 Ausführungsbeispiels nach 4:
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 durchströmt so die erste Lageranordnung 36 und die zweite Lageranordnung 37. Dabei ist der erste Teilkühlkanal 80 des Kühlkanals 8 als Kühlbohrung 45 in dem ersten Zahnrad 11 und der zweite Teilkühlkanal 800 des Kühlkanals 8 als eine weitere Kühlbohrung 46 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. In den Ausführungsbeispielen der 2 und der 4 weist der Kühlkanal 8 eine Parallelschaltung aus dem ersten Teilkühlkanal 80 und dem zweiten Teilkühlkanal 800 auf. Das gesamte Arbeitsmedium wird danach im Teilkanal 15 wieder zusammengeführt und gelangt somit 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 4 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 und der Auslass 35 technisch gesehen nicht in einer Ebene liegen können. 4 zeigt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1 daher zur Veranschaulichung in vereinfachter schematischer Darstellung.
In dem ersten Teilkühlkanal 80 bzw. in der Kühlbohrung 45 und in dem zweiten Teilkühlkanal 800 bzw. in der weiteren Kühlbohrung 46 ist jeweils ein Förderrad 100, 110 angeordnet, welches eine Durchströmung der Teilkühlkanäle 80, 800 mit Arbeitsmedium unterstützt. Das Förderrad 100 ist in der Kühlbohrung 45 der Antriebswelle 44 bzw. des ersten Zahnrads 11 angeordnet, beispielsweise in diese eingepresst. Ein weiteres Förderrad 110 ist in einer weiteren Kühlbohrung 46 des zweiten Zahnrads 12 angeordnet.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1. In dem Arbeitsraum sind das erste Zahnrad 11 und das zweite Zahnrad 12 miteinander kämmend angeordnet. Das erste Zahnrad 11 ist auf der Welle 21 bzw. der Antriebswelle 44 angeordnet. Die als Antriebswelle 44 ausgeführte Welle 21 ist mittels einer Wellendichtung 27 zur Umgebung abgedichtet. Das zweite Zahnrad 12 ist auf der weiteren Welle 22 angeordnet. Die beiden Wellen 21, 22 sind mittels der beiden Lagerbrillen 30, 40 in dem Pumpengehäuse 2 drehbar gelagert, so wie schon in 1 beschrieben. Auch in der Ausführung der 5 sind alternative Ausführungsformen mit einstückigen Zahnradwellen 11, 12 und/oder Lagerungen mittels Lagerbuchsen 9 möglich.
In der Ausführung der 5 sind der erste Teilkühlkanal 80 und der zweite Teilkühlkanal 800 in Reihe geschaltet und mittels eines in dem Bodenflansch 4 ausgebildeten Verbindungskanals 88 verbunden. Der erste Teilkühlkanal 80 ist in der Kühlbohrung 45 der Welle 21 ausgebildet. Der zweite Teilkühlkanal 800 ist in der weiteren Kühlbohrung 46 der weiteren Welle 22 ausgebildet. Der zweite Teilkühlkanal 800 liegt dabei stromaufwärts des ersten Teilkühlkanals 80.
In der Ausführung der 5 sind drei Förderräder 100, 110, 120 in dem Kühlkanal 8 angeordnet:

- Das Förderrad 100 in der Kühlbohrung 45 bzw. im ersten Teilkühlkanal 80 am zu den Durchgangsöffnungen 17 entgegengesetzten Ende der Kühlbohrung 45.
- Das weitere Förderrad 110 in der weiteren Kühlbohrung 46 bzw. im zweiten Teilkühlkanal 800, benachbart zum Einlass 7.
- Ein zusätzliches Förderrad 120 an dem dem weiteren Förderrad 110 entgegengesetzten Ende der Kühlbohrung 46.

Vorzugsweise sind dabei alle drei Förderräder 100, 110, 120 in die jeweilige Kühlbohrung 45, 46 eingepresst.
Das Arbeitsmedium durchläuft nun folgende Bereiche des Kühlkanals 8, wobei der Strömungspfad durch die Pfeile dargestellt ist: Das Arbeitsmedium tritt über den im Deckel 3 ausgebildeten Einlass 7 in den zweiten Teilkühlkanal 800 ein und durchströmt dort das weitere Förderrad 110. Es durchströmt am Ende des zweiten Teilkühlkanals 800 das zusätzliche Förderrad 120 und strömt über den Verbindungskanal 88 zum ersten Teilkühlkanal 80, wo es das Förderrad 100 durchströmt. Nach der Durchströmung des Teilkühlkanals 80 mündet das Arbeitsmedium durch die in der Welle 21 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 17 in den im Deckel 3 ausgebildeten Teilkanal 15, von wo aus es dem Arbeitsraum 6 zugeführt wird.
In den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen 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. Vorzugsweise bildet der Kühlkanal 8 jedoch immer die einzige hydraulische bzw. fluidische Verbindung zwischen dem Einlass 7 und dem Arbeitsraum 6.
Die Zuführung des unverdichteten Arbeitsmediums aus dem Einlass 7 in den Kühlkanal 8 wird vorzugsweise so gestaltet, dass keine Einflüsse des Ansaugbereichs der Zahnradpumpe 1 störend wirken können. Hierzu werden beispielsweise zusätzliche Bearbeitungen des Deckels 3 und/oder des Bodenflanschs 4 ausgeführt, indem dort der Teilkanal 15 bzw. der Verbindungskanal 88 ausgebildet sind. Die Wellen 21, 22 werden durch die Kühlbohrungen 45, 46 hohl ausgeführt und mit einer formschlüssig integrierten Strömungspumpe durch die entsprechenden Förderräder 100, 110, 120 ergänzt.
6 zeigt eine Ausführungsform eines Förderrads 100, 110, 120 in perspektivischer Ansicht. Das Förderrad 100, 110, 120 weist vier Förderschaufeln 101, 111, 121 zur Förderung bzw. zur Verstärkung der Förderung des Arbeitsmediums auf. Das Förderrad 100, 110, 120 weist weiterhin einen äußeren Außenring 102, 112, 122 und einen inneren Innenring 103, 113, 123 auf. Die Förderschaufeln 101, 111, 121 sind zwischen dem Außenring 102, 112, 122 und dem Innenring 103, 113, 123 angeordnet. Optional ist in dem Innenring 103, 113, 123 eine Zusatzbohrung 104, 114, 124 ausgebildet, durch welche ebenfalls Arbeitsmedium strömen kann.
7 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 200 einer Brennkraftmaschine 210. Der Brennkraftmaschine 210 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 212 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 211 aus der Brennkraftmaschine 210 abgeführt.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 200 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 200a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 202, einen Verdampfer 203, eine Expansionsmaschine 204 und einen Kondensator 205 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 201 und eine Ventileinheit 201a in den Kreislauf 200a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 201 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 200a eingebunden sein.
Der Verdampfer 203 ist an die Abgasleitung 211 der Brennkraftmaschine 210 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 210.
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 202, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 201, in den Verdampfer 203 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 210 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 204 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 205 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 201 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 202 zugeführt.
Erfindungsgemäß eignen sich die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen der Zahnradpumpe 1 sehr gut für die Verwendung als Speisefluidpumpe 202 innerhalb des Abwärmerückgewinnungssystems 100, da das dort verwendete Arbeitsmedium niederviskos und sehr aggressiv und ist und die Funktionen der chemischen Beständigkeit und der Kühlung für die Speisefluidpumpe 202 sehr wichtig ist. Insgesamt wird somit auch die Lebensdauer der Zahnradpumpe 1, 202 bzw. des gesamten Abwärmerückgewinnungssystems 200 erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016214823 [0002, 0003, 0004]

Claims

Zahnradpumpe (1), insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe (202) eines Abwärmerückgewinnungssystems (200), 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) förderbar ist, wobei das erste Zahnrad (11) auf einer Welle (21, 44) angeordnet oder mit dieser einstückig ausgebildet ist, wobei in der Welle (21, 44) eine Kühlbohrung (45) ausgebildet ist, wobei die Kühlbohrung (45) fluidisch mit dem Einlass (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlbohrung (45) ein Förderrad (100, 110, 120) zur Förderung des Arbeitsmediums angeordnet ist.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrung (45) stromaufwärts des Arbeitsraums (6) angeordnet ist.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrung (45) die einzige fluidische Verbindung zwischen dem Einlass (7) und dem Arbeitsraum (6) bildet.
Zahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrung (45) stromabwärts des Einlasses (7) und stromaufwärts des Arbeitsraums (6) angeordnet ist.
Zahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (21) mittels einer Lageranordnung (9, 30, 36, 39, 40, 41) in dem Pumpengehäuse (2) gleitgelagert ist.
Zahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderrad (100, 110, 120) eine Mehrzahl von Förderschaufeln (101, 111, 121) aufweist.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderrad (100, 110, 120) einen Innenring (103, 113, 123) mit einer darin ausgebildeten Zusatzbohrung (104, 114, 124) aufweist.
Zahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zahnrad (12) auf einer weiteren Welle (22) angeordnet oder mit dieser einstückig ausgebildet ist, wobei in der weiteren Welle (22) eine weitere Kühlbohrung (46) ausgebildet ist, wobei die weitere Kühlbohrung (46) fluidisch mit dem Einlass (7) verbunden ist, wobei in der weiteren Kühlbohrung (46) ein weiteres Förderrad (110, 120) zur Förderung des Arbeitsmediums angeordnet ist.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kühlbohrung (46) stromabwärts des Einlasses (7) und stromaufwärts der Kühlbohrung (45) angeordnet ist.
Zahnradpumpe (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kühlbohrung (46) parallel zu der Kühlbohrung (45) angeordnet ist.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (21, 44) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Edelstahl, hergestellt ist.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Welle (21, 44) mindestens eine Durchgangsöffnung (17), vorzugsweise eine Querbohrung, ausgebildet ist, über welche das Arbeitsmedium aus der Kühlbohrung (45) zu dem Arbeitsraum (6) strömen kann.
Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (1) als Außenzahnradpumpe ausgeführt ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (200) mit einem das Arbeitsmedium führenden Kreislauf (200a), wobei der Kreislauf (200a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (202), einen Verdampfer (203), eine Expansionsmaschine (204) und einen Kondensator (205) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisefluidpumpe (202) als Zahnradpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist.