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Die Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung für eine Abwärmenutzungseinrichtung sowie eine Abwärmenutzungseinrichtung mit einer solchen Steuerungseinrichtung.
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Bei herkömmlichen Steuerungseinrichtungen für Abwärmenutzungseinrichtungen in Form sogenannter Kolbenexpander erfolgt die Steuerung der Ein- und Auslasskanäle zum Einleiten des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum des Kolbenexpanders sowie zum Ausleiten des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum mittels eines Steuerelements, in welchem ein von dem Arbeitsmedium durchströmbarer Arbeitsmedium-Kanal vorgesehen ist. Typischerweise ist ein solches Steuerelement drehfest mit einer drehbar gelagerten Welle verbunden, die wiederum über eine drehfest mit der Welle verbundene Schrägscheibe angetrieben wird. Die Schrägscheibe kann von einem im Arbeitsraum axial verstellbaren und vom Arbeitsmedium durch Expansion angetriebenen Kolben betätigt werden. Bei solchen herkömmlichen Steuerungseinrichtungen erfolgt die Lagerung der Welle mit Schrägscheibe und Steuerelement an einem Gehäuse der Steuerungseinrichtung typischerweise mittels zweier axial im Abstand zueinander an der Welle angeordneter Lagereinrichtungen.
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Daraus ergeben sich jedoch hohe Anforderungen an das jeweilige Lagerspiel zum Ausgleich von Positions- und Lauftoleranzen der einzelnen Lagerstellen zueinander, insbesondere bedingt auf die Aufteilung der Lagerstellen auf unterschiedliche Gehäuseteile, auch bei einer Herstellung der einzelnen Lagerstellen in einem zwischengelagerten Vormontage- und Bearbeitungsschritt, bedingt durch das notwendige Montagespiel der Gehäusekomponenten. Außerdem benötigen die beiden Lagereinrichtungen zusammen relativ viel Bauraum und sind darüber hinaus auch vergleichsweise teuer in der Herstellung.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform für eine eingangs beschriebene Steuerungseinrichtung zu schaffen, welche voranstehend genannte Nachteile adressiert.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, bei einer Steuerungseinrichtung für eine Abwärmenutzungseinrichtung, insbesondere für einen Kolbenexpander, ein Steuerelement, mittels welcher die Durchströmung wenigstens eines Einlass- oder Auslasskanals der Abwärmenutzungseinrichtung mit einem Arbeitsmedium gesteuert werden kann, mittels einer Kupplungseinrichtung lösbar an der drehbaren Welle der Steuerungseinrichtung zu befestigen. Dies erlaubt eine drehbare Anbringung des Steuerelements an der Welle unabhängig von der drehbaren Lagerung der Welle am Gehäuse der Steuerungseinrichtung. Dadurch kann das Laufspiel des Steuerelements funktionsgerecht angepasst und optimiert werden. Außerdem werden auf diese Weise Leckage-Verluste bei dem vom Arbeitsmedium durchströmbaren Steuerelement eliminiert.
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Eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung für eine Abwärmenutzungseinrichtung, insbesondere für einen Kolbenexpander, umfasst ein Gehäuse, welches einen Gehäuseinnenraum umgibt. Im Gehäuseinnenraum ist eine sich entlang einer axialen Richtung erstreckende und mittels einer Lagereinrichtung drehbar am Gehäuse gelagerte Welle angeordnet. Ferner umfasst die Steuerungseinrichtung eine auf der Welle drehfest zu dieser angeordnete Schrägscheibe zum Antreiben mittels wenigstens eines axial verstellbaren Kolbens der Abwärmenutzungseinrichtung. Eine Drehbewegung der Schrägscheibe führt somit auch zu einer Drehbewegung der Welle. Die Schrägscheibe kann in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung unter einem spitzen Winkel zur Welle angeordnet sein. Außerdem umfasst die Steuerungseinrichtung ein Steuerelement zum Steuern der Durchströmung wenigstens eines Einlass- oder Auslasskanals der Abwärmenutzungseinrichtung mit einem Arbeitsmedium, welches mittels einer Kupplungseinrichtung lösbar an der Welle befestigbar ist. In einem aneinander befestigten Zustand sind die Welle und das Steuerelement drehfest miteinander verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuerelement als Steuerwalze mit im Wesentlichen zylindrischer geometrischer Formgebung ausgebildet, in welcher wenigstens ein Arbeitsmedium-Kanal zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium ausgebildet ist. Eine solche Steuerwalze ist technisch einfach aufgebaut bzw. herstellbar und somit auch im Langzeitbetrieb wenig fehleranfällig.
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Besonders zweckmäßig ist das Steuerelement mittels der Kupplungseinrichtung an einer ersten axialen Stirnseite der Welle axial in die Welle einsteckbar ausgebildet. Somit kann die Lagerung der Welle am Gehäuse der Steuerungseinrichtung - bevorzugt ausschließlich - im Bereich eines dem ersten axialen Ende axial gegenüberliegenden zweiten axialen Ende erfolgen. Dadurch erhöht sich - aufgrund des geringen Bauraumbedarfs für eine derart ausgestaltete Kupplungseinrichtung - der gestalterische Freiheitsgrad in der Definition der Funktions-Geometrien am Steuerelement.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lagereinrichtung benachbart, vorzugsweise abstandsfrei, zur Schrägscheibe angeordnet. Auf diese Weise kann eine stabile Lagerung der Welle einschließlich der Schrägscheibe erreicht werden. Insbesondere kann auf die Bereitstellung einer zweiten Lagereinrichtung verzichtet werden.
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Besonders bevorzugt kann die Lagerung der Welle daher mittels genau einer Lagereinrichtung erfolgen.
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Besonders zweckmäßig umfasst oder ist die Lagereinrichtung ein benachbart zum Schrägscheibe angeordnetes Axial-Radiallager. Auf diese Weise kann das Auftreten von unerwünschten Querkräften bei der Lagerung der Welle am Gehäuse besonders klein gehalten werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst oder ist das Axial-Radiallager ein Kugellager.
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Besonders bevorzugt ist die Lagereinrichtung auf einer von der ersten Stirnseite abgewandten Seite der Schrägscheibe angeordnet.
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Zweckmäßig umfasst oder ist die Kupplungseinrichtung eine Oldham-Kupplung. Eine solche Oldham-Kupplung benötigt besonders wenig Bauraum.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Abwärmenutzungseinrichtung, insbesondere einen Kolbenexpander, mit einer voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung. Die voranstehend erläuterten Vorteile der Steuerungseinrichtung übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend dies genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Die einzige 1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung 1 für eine Abwärmenutzungseinrichtung in einem Längsschnitt. Die Steuerungseinrichtung 1 umfasst ein in 1 nicht dargestelltes Gehäuse. Ferner umfasst die Steuerungseinrichtung 1 eine sich entlang einer axialen Richtung A erstreckende und mittels einer Lagereinrichtung 3 drehbar am Gehäuse gelagerten Welle 4. Die Welle 4 ist um eine Drehachse D drehbar gelagert, welche einer Mittellängsachse M der Welle 4 entspricht. Außerdem umfasst die Steuerungseinrichtung 1 eine auf der Welle 4 drehfest zu dieser angeordnete Schrägscheibe 10, welche durch einen oder mehrere in einem Arbeitsraum der Abwärmenutzungseinrichtung bzw. des Kolbenexpanders angeordneten und axial verstellbaren Kolben (nicht gezeigt) der Abwärmenutzungseinrichtung angetrieben werden kann. Auf diese Weise wird die auch die drehfest mit der Schrägscheibe 10 verbundene Welle 4 angetrieben. Dargestellt ist in 1 eine starre Schrägscheibe, alternativ möglich ist auch eine in ihrem Hub verstellbare Schrägscheibe.
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Wie in der Darstellung der 1 veranschaulicht kann die Schrägscheibe 10 in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung A unter einem spitzen Winkel zur Drehachse D der Welle 4 angeordnet sein.
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Ferner umfasst die Steuerungseinrichtung 1 ein Steuerelement 5 zum Steuern der Durchströmung eines Einlass- oder/und Auslasskanals (nicht gezeigt) der Abwärmenutzungseinrichtung mit einem Arbeitsmedium. Über den Einlasskanal kann das Arbeitsmedium in den Arbeitsraum der Abwärmenutzungseinrichtung eingeleitet werden. Über den Auslasskanal kann das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum ausgeleitet werden. Das Steuerelement 5 kann als zylindrische Steuerwalze 9 ausgebildet sein, in welcher wenigstens ein Arbeitsmedium-Kanal zum Durchströmen mit dem Arbeitsmedium vorhanden ist. Durch Drehung der Welle 4 und somit des Steuerelements 5 bzw. der Steuerwalze kann somit die Position des Arbeitsmedium-Kanals verstellt werden und somit die Durchströmung mit dem Arbeitsmedium reguliert werden. Das Steuerelement 5 ist mittels einer Kupplungseinrichtung 6 lösbar an der Welle 4 befestigt. Hierzu kann das Steuerelement 5 an einer ersten axialen Stirnseite 12 der Welle 4 axial in eine stirnseitig an der Welle 4 vorgesehene Öffnung 11, die einen Teil der Kupplungseinrichtung 6 ausbildet, eingesteckt werden. In einem in die Welle 4 eingesteckten Zustand des Steuerelements 5 und somit in einem aneinander befestigten Zustand sind die Welle 4 und das Steuerelement 5 drehfest miteinander verbunden.
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Die Kupplungseinrichtung 6 ist wie in 1 vereinfacht dargestellt teilweise an der Welle 4 und teilweise an dem Steuerelement 5 ausgebildet. In dem in 1 gezeigten, mittels der Kupplung 6 aneinander befestigten Zustand, sind die Welle 4 und das Steuerelement 5 drehfest miteinander verbunden. Die Kupplungseinrichtung 6 kann durch eine Oldham-Kupplung gebildet sein.
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Wie 1 außerdem zeigt, umfasst die Lagereinrichtung 3 ein benachbart zum Steuerelement 5 angeordnetes Axial-Radiallager 7. Die Lagerung der Welle 4 am Gehäuse erfolgt wie in 1 dargestellt mittels einer einzigen Lagereinrichtung 3 und somit mittels eines einzigen Axial-Radiallagers 7. Dieses Axial-Radiallager 7 kann durch ein Kugellager 8 gebildet sein. Die Lagereinrichtung 3 ist entsprechend 1 unmittelbar benachbart zur Schrägscheibe 10 angeordnet. Außerdem ist die Lagereinrichtung 10 auf einer von der ersten Stirnseite 12 abgewandten Seite 2 der Schrägscheibe 10 angeordnet.
