EP3237729A1 - Expansionsmaschine mit wellendichtring und ventil - Google Patents

Expansionsmaschine mit wellendichtring und ventil

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EP3237729A1
EP3237729A1 EP15784670.0A EP15784670A EP3237729A1 EP 3237729 A1 EP3237729 A1 EP 3237729A1 EP 15784670 A EP15784670 A EP 15784670A EP 3237729 A1 EP3237729 A1 EP 3237729A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
expansion machine
membrane
chamber
channel
Prior art date
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Granted
Application number
EP15784670.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3237729B1 (de
Inventor
Steffen Buhl
Nadja Eisenmenger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3237729A1 publication Critical patent/EP3237729A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3237729B1 publication Critical patent/EP3237729B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/003—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by packing rings; Mechanical seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/046—Heating, heat insulation or cooling means

Definitions

  • the invention relates to an expansion machine with a shaft seal and a valve.
  • the expansion machine can for example for
  • Waste heat utilization of an internal combustion engine can be used.
  • the expansion machine comprises a transmission with an output shaft and a shaft seal cooperating with the output shaft.
  • the expansion machine has an inflow region and an outflow region and, during operation, flows through a working medium, wherein compressed working medium flows out of the outflow region into the inflow region and relaxed working medium.
  • Shaft sealing ring separates a gear chamber or valve chamber filled with working medium from an ambient space or from a further machine, for example from a generator.
  • the expansion machine is operated in overpressure, that is, the relaxed working fluid has a pressure that is above atmospheric pressure.
  • the sealing lip is then arranged in such a way to the output shaft, that an overpressure in the expansion machine to the ambient space, which is under atmospheric pressure, reliable
  • the expansion machine according to the invention with a shaft seal and a valve in contrast, has the advantage that it can be operated both in overpressure even in vacuum operation without leakage and the shaft seal achieved a good sealing effect in all operating conditions.
  • the expansion machine according to the invention thus has a much wider range of operating conditions in which it can be used without leakage.
  • the expansion machine comprises an output shaft and a shaft seal cooperating with the output shaft.
  • Expansion machine has an inflow and an outflow area. In operation, the expansion machine is flowed through by a working medium, wherein compressed in operation of the expansion machine
  • Working fluid flows into the inflow and relaxed working fluid from the outflow.
  • the shaft seal separates one with working fluid filled valve space from an ambient space.
  • a valve is arranged, and the pressure in the valve chamber is regulated by the valve.
  • the pressure acting on the shaft sealing ring on the side of the expansion machine can be regulated.
  • the pressure on the shaft sealing ring on the side of the expansion machine is always at least as great as on the side to the environment or to the
  • the expansion machine comprises a housing, wherein the valve is arranged in the housing.
  • the valve does not require its own housing, but can be inexpensive and
  • inflow is hydraulically connected to the valve chamber through a throttle.
  • valve chamber can be controlled by the valve to the pressure level of the inflow, this
  • Pressure level is higher than the pressure level of the surrounding space; This achieves a good sealing effect of the shaft seal.
  • valve chamber is not connected to the inflow region but to a region that is between inflow and outflow
  • the valve comprises an inlet channel, an outlet channel, and a closing body.
  • the closing body is preferably spherical.
  • the closing body cooperates with a valve seat.
  • the inlet channel opens into the valve chamber or leads out of this.
  • the closing body closes when applied to the valve seat a hydraulic
  • the outlet channel is at least indirectly with the
  • Expansion machine is. This minimizes stress on the shaft seal when the valve is open.
  • the valve comprises a control room and an opening into the control room
  • Control channel This allows the valve to be pneumatically or hydraulically controlled or even controlled.
  • Control variable for the valve can be used. Furthermore, the control with atmospheric pressure or with the pressure of the ambient space is very cost-effective, since a volume having a corresponding pressure level, anyway in the expansion machine or its attachments or just in the environment is present.
  • the valve comprises a membrane, and the control chamber adjoins the membrane. This allows the control room Media-tight, in particular to the inlet channel and the outlet channel to be separated.
  • the membrane is made of a metal, in particular of a thin metal, or of an elastomer. This is the membrane
  • Inlet channel to outlet channel accordingly also has a sufficiently large cross-section with the valve open.
  • the membrane acts on her the
  • membrane and closing body together.
  • the geometries and materials of membrane and closing body can be selected as best as possible with regard to their functions: the membrane is comparatively elastic and the closing body is wear-resistant and comparatively stiff.
  • the membrane cooperates with the interposition of an auxiliary piston with the closing body, wherein the auxiliary piston is preferably longitudinally movably guided in a guide sleeve.
  • the auxiliary piston has the function of performing the longitudinal movement during opening and closing of the valve with as little friction as possible, for example in cooperation with the guide sleeve.
  • the power transmission between the auxiliary piston and closing body can be designed so that the closing body during opening and closing of the valve.
  • an annular chamber is formed at least partially surrounding the inlet channel radially.
  • the outlet channel opens into the annular chamber, wherein the valve seat is arranged between the inlet channel and the annular chamber.
  • the pressures from the outlet channel or the annular chamber and from the inlet channel act in the same direction on the closing body. If the outlet channel is under a lower pressure than atmospheric pressure, then the closing body is loaded with a comparatively small resulting hydraulic force by the working medium for this operating state. The closing body is therefore against the valve seat pressed. Since the valve seat is formed between the annular chamber and the inlet channel, so can also be set over the width of the valve seat, a throttle length for the operating state of the opened valve.
  • the closing body is a membrane, preferably of one
  • the membrane can be simple, for example, disc-shaped, constructed and is therefore inexpensive to use.
  • a control chamber is also formed here on the opposite side of the valve seat of the membrane, which opens into a control channel.
  • the control room can thus be connected via the control channel to a volume, the one
  • control space between the membrane and a lid is formed.
  • the lid also preferably braces the membrane at its periphery, for example by pressing the membrane against the housing of the valve or the expansion machine.
  • the membrane is fixed on the circumference within the valve. The opening and closing of the valve thus takes place by a movement of the non-strained surfaces of the membrane.
  • control channel is formed in the lid, wherein the control channel is preferably hydraulically connected at its end opposite the control room end with the surrounding space or with the atmosphere.
  • control channel can be produced inexpensively by a simple hole in the lid.
  • control channel can alternatively also save space through a common housing of expansion machine or valve and
  • the expansion machine according to the invention is arranged in a waste heat recovery system, in particular an internal combustion engine.
  • the waste heat recovery system comprises in the flow direction of the working medium, a pump, an evaporator, the expansion machine and a condenser.
  • the outlet channel is hydraulically connected at least indirectly to the condenser.
  • Outflow area of the expansion machine is usually hydraulically connected to the condenser and thus has the same pressure as the condenser.
  • the outlet channel is then connected to this already existing pressure level.
  • the waste heat recovery system is preferably not operated at a single operating point, but at very different operating points, since the internal combustion engine is operated at different operating points. This makes it very beneficial for the overall efficiency of the waste heat recovery system when the expansion machine can run in both positive pressure and negative pressure modes.
  • the expansion machine according to the invention is therefore particularly suitable for this purpose.
  • Fig.l shows schematically an expansion machine according to the invention within a waste heat recovery system, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG. 2 schematically shows an embodiment of the expansion machine, wherein only the essential areas are shown.
  • 3 shows an exemplary embodiment of a valve of the expansion machine, wherein FIG. 3a shows the valve in the closed position and FIG. 3b shows the valve in FIG
  • Opening position shows. 4 shows a further embodiment of the valve, wherein only the essential areas are shown.
  • Fig.l shows schematically an expansion machine 20 according to the invention within a waste heat recovery system 1, wherein only the essential areas are shown.
  • a pump 30, an evaporator 31, an expansion machine 20 and a condenser 32 are arranged in the flow direction of a working medium.
  • Liquid working fluid is compressed by the pump 30 and conveyed to the evaporator 31, where it by the heat energy of the exhaust gas of
  • the expansion machine 20 may, for example, a turbine, a
  • Piston expander or a Scrollexpander be Piston expander or a Scrollexpander be.
  • the expansion machine 20 is a turbine with an impeller 23 and an output shaft 24th
  • the expansion machine 20 further comprises according to the invention
  • Working medium flows through the inflow region 21 and the outflow region 22 and is thereby expanded.
  • the thereby released mechanical energy is transmitted through the output shaft 24 to one or more recyclers, not shown, for example, a turbocharger, a transmission or a generator.
  • the inflow region 21 is hydraulically connected at least indirectly via a throttle 9 to the valve space 11.
  • the valve 10 opens and closes a hydraulic connection from the valve space 11 to the discharge area 22 and to the condenser 32, respectively.
  • the valve space 11 is connected to the discharge area through the dividing wall 27 and through the shaft sealing ring 25
  • the ambient space 40 may be, for example, a gear chamber or an atmospheric space.
  • the partition wall 27 is shown in Fig.l between the outflow region 22 and the valve chamber 11, but need not necessarily be arranged so. It should only clarify that there is only a hydraulic inflow through the throttle 9 and a hydraulic drain via the valve 10 in the valve chamber 11 and that the valve chamber 11 incidentally of the
  • valve chamber 11 depends on which side the output shaft 24 is led out of the expander 20, since usually at this point the shaft seal 25 is arranged and accordingly adjacent the valve chamber 11 must be arranged.
  • valve 10 may also be arranged in the partition wall 27; or the partition wall 27 may be disposed between the inflow region 21 and the valve space 11 and the throttle 9 may then be formed in the partition wall 27.
  • Embodiments are also the pressures in inflow region 21,
  • the expansion machine 20 is designed as a radial turbine and comprises a housing 26 in which the valve 10 is arranged.
  • the inflow region 21, the outflow region 22 and the valve space 11 are formed in the housing 26.
  • the partition shown schematically in Fig.l 27 thus can be seen from a composite of impeller 23 and output shaft 24.
  • the valve space 11 is advantageously formed on a rear side 23 b of the impeller 23, that is on the side facing away from the actual flow path of the working medium through the impeller 23 side.
  • an overpressure prevailing in the valve chamber 11 with respect to the outflow region 22 can bring about at least partial compensation of the pressures or forces acting on the impeller 23 in the axial direction.
  • the shaft seal 25 seals the valve chamber 11 to the ambient space 40 by one on the shaft seal 25th
  • sealing lip 25a cooperates with the output shaft 24.
  • the transition from the inflow region 21 to the outflow region 22 is not a clearly defined limit.
  • the working fluid is expanded as it flows through the impeller 23 on the front side 23a, whereby a pressure gradient over the impeller 23 or over the front side 23a is created by the relaxation, so that here the inflow 21 is not clearly separated from the discharge 22, but a Art forms a mixing region in which the pressure falls from an inlet pressure upstream of the expansion machine 20 to an outlet pressure downstream of the expansion machine 20.
  • valve chamber 11 is hydraulically connected to the inflow region 21 via the throttle 9.
  • valve space 11 may also be connected to the mixing area.
  • the valve 10 comprises an inlet channel 12, an outlet channel 13, a spherical closing body 15 and a closing spring 16.
  • the inlet channel 12 opens into the valve chamber 11.
  • the outlet channel 13 opens advantageously in a region having a lower pressure than the valve chamber 11, the Example in the discharge area 22.
  • the closing body 15 cooperates with a formed on the housing 26 valve seat 26 a and thereby opens and closes a hydraulic connection from the inlet channel 12 to the
  • the closing spring 16 presses the closing body 15 against the valve seat 26a. By the closing spring 16 can thus a minimum pressure in the
  • Valve chamber 11 can be adjusted.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the valve 10, wherein FIG. 3a shows the valve 10 in the closed position and FIG. 3b the valve 10 in the open position.
  • the valve 10 is disposed in the housing 26 of the expansion machine 20. Alternatively, however, the valve 10 may be disposed in any other housing.
  • the intake passage 12 is formed in an intake passage 12a and the exhaust passage 13 is formed in an exhaust passage 13a.
  • the inlet pipe 12a and the exhaust pipe 13a are formed in an intake passage 12a and the exhaust passage 13a.
  • Outlet line 13a are pressed or screwed into the housing 26. Both the inlet channel 12 and the outlet channel 13 open into a housing 26 formed in the interior 50. In the interior 50 is between
  • Inlet line 12a and outlet 13a arranged on the housing 26 of the valve seat 26a, with which the arranged in the interior 50 closing body 15 cooperates.
  • the closing body 15 is pressed in the closed position of the valve 10 by a diaphragm 51 which acts like a leaf spring in this embodiment, with the interposition of an auxiliary piston 52 against the valve seat 26a ( Figure 3a).
  • the closing body 15 In the open position of the valve 10, the closing body 15 is lifted off the valve seat 26a and thus opens the hydraulic connection from the inlet channel 12 to the outlet channel 13 (FIG. 3b).
  • the auxiliary piston 52 is connected by a fixed to the housing 26
  • the membrane 51 is provided with a
  • a cover 55 is screwed to the housing 26 and thereby presses the clamping piece 54 with the interposition of the edge of the diaphragm 51 against the guide sleeve 53; the membrane 51 is thus braced at its periphery with the housing 26.
  • the contact between Guide sleeve 53 and closing body 15 may for example be designed convex to optimize the self-centering of the closing body 15 in the valve seat 26a.
  • control chamber 60 is formed between membrane 51, clamping piece 54 and cover 55.
  • the membrane 51 seals the control chamber 60 against the interior 50.
  • the control channel 14 may, as in the embodiment of Figure 3, be a bore in the cover 55. However, the control channel 14 may for example also be formed in a control line which in the lid 55 or in the
  • Housing 26 is screwed or pressed.
  • the guide sleeve 53 and / or the clamping piece 54 may also be omitted.
  • the corresponding functions - clamping the diaphragm 51 and guiding the auxiliary piston 52 - are then integrated, for example, in the two components housing 26 and cover 55.
  • control channel 14 with the atmosphere, the inlet channel 12 with the valve chamber 11 and the outlet channel 13 with the discharge area 22 are hydraulically connected.
  • valve 4 shows a further embodiment of the valve 10, wherein only the essential areas are shown.
  • the valve 10 is disposed in the housing 26 of the expansion machine 20. Alternatively, however, the valve 10 may be disposed in any other housing.
  • the inlet channel 12 and the outlet channel 13 are arranged.
  • a diaphragm 51 ' is clamped between the housing 26 and the lid 55, in which embodiment the diaphragm 51' has the function of the closing body.
  • the lid 55 is bolted to the housing 26.
  • In the cover 55 of the control channel 14 is formed. Between the cover 55 and the membrane 51 'of the control chamber 60 is formed, in which the control channel 14 opens.
  • an annular chamber 61 is formed in the housing 26, into which the outlet channel 13 opens. In the closed position of the valve 10, the hydraulic connection from the inlet channel 12 to the annular chamber 61 by conditioning the membrane 51 'to the valve seat 26 a is closed.
  • the operation of the expansion machine 20 according to the invention is as follows:
  • the shaft seal 25 seals the filled with working fluid valve chamber 11 to the ambient space 40 from.
  • the ambient space 40 may be filled with, for example, air or with transmission oil.
  • the valve 10 is preferably arranged in expansion machines 20, which are operated at least temporarily in negative pressure; that is the one
  • Outflow area 22 of these expansion machines 20 has, at least temporarily, a lower pressure than atmospheric pressure.
  • the pressure level of the valve chamber 11 is located on the
  • valve 10 When the valve 10 is open, the hydraulic connection from the valve chamber 11 to the outflow region 22 is opened, the valve chamber 11 will thus assume the pressure level of the outflow region 22. As long as the outflow area 22 has a greater or equal pressure than the surrounding space 40, thus still a sealing effect of
  • the valve chamber 11 is connected via the throttle 9 hydraulically constantly connected to an area whose pressure level in the operation of the expansion machine 20 is above the pressure level of the ambient space 40, for example with the
  • Exhaust port 13 and the discharge area 22 and the condenser 32 is still an overpressure in the valve chamber 11 relative to the ambient space 40 is provided, takes place in different embodiments in various ways:
  • the regulation is carried out by adjusting the closing spring 16 in connection with the seat diameter of the valve seat 26a.
  • control is effected by the diameter of the auxiliary piston 52 and the valve seat 26a.
  • the relevant diameter of the diaphragm 51, against which the pressure of the inner space 50 abuts, is accordingly used for regulation.
  • control is effected by the diameters of valve seat 26a, annular chamber 61 and control chamber 60.
  • diameters of annular chamber 61 and control chamber 60 are preferably approximately the same.
  • the diameter of the control space 60 must be larger than the diameter of the valve seat 26a.
  • the membrane 51, 51 ' naturally has an effect on the opening and closing behavior of the valve 10 in the embodiments of Figures 3 and 4.
  • the membrane 51, 51' is soft, for example as an elastomeric membrane or as a thin metallic

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Abstract

Expansionsmaschine (20) mit einer Abtriebswelle (24) und einem mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring (25). Die Expansionsmaschine (20) weist einen Einströmbereich (21) und einen Ausströmbereich (22) auf. Im Betrieb wird die Expansionsmaschine (20) mit einem Arbeitsmedium durchströmt, wobei verdichtetes Arbeitsmedium in den Einströmbereich (21) und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich (22) strömt. Der Wellendichtring (25) trennt einen mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum (11) von einem Umgebungsraum (40). Ein Ventil (10) ist in der Expansionsmaschine (20) angeordnet. Der Druck in dem Ventilraum (11) ist durch das Ventil (10) regelbar.

Description

Titel
Expansionsmaschine mit Wellendichtring und Ventil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine mit einem Wellendichtring und einem Ventil. Die Expansionsmaschine kann beispielsweise zur
Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Stand der Technik
Expansionsmaschinen mit einem Wellendichtring zur Abdichtung eines in der Expansionsmaschine strömenden Arbeitsmediums sind aus dem Stand der
Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 222 010 AI. Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine umfasst ein Getriebe mit einer Abtriebswelle und einem mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring. Die Expansionsmaschine weist einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf und wird im Betrieb mit einem Arbeitsmedium durchströmt, wobei verdichtetes Arbeitsmedium in den Einströmbereich und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich strömt. Der
Wellendichtring trennt einen mit Arbeitsmedium gefüllten Getrieberaum bzw. Ventilraum von einem Umgebungsraum bzw. von einer weiteren Maschine, zum Beispiel von einem Generator.
Aufgrund des Wirkprinzips eines Wellendichtrings ist es immer vorteilhaft, wenn auf einer Seite des Wellendichtrings ein größerer Druck herrscht als auf der gegenüberliegenden Seite. Dieser Druckunterschied presst eine Dichtlippe des Wellendichtrings auf die Abtriebswelle und dichtet so die beiden Seiten gegeneinander ab. Speziell das Austreten von Arbeitsmedium aus der
Expansionsmaschine wird dadurch verhindert.
In vielen Betriebspunkten wird die Expansionsmaschine im Überdruck betrieben, das heißt das entspannte Arbeitsmedium weist einen Druck auf, der über dem Atmosphärendruck liegt. Üblicherweise wird die Dichtlippe dann derart zur Abtriebswelle angeordnet, dass ein Überdruck in der Expansionsmaschine zum Umgebungsraum, welcher unter Atmosphärendruck steht, zuverlässig
abgedichtet wird.
Würde die Expansionsmaschine nun mit diesem derart angeordneten
Wellendichtring im Unterdruck betrieben werden, so dass das entspannte Arbeitsmedium einen gegenüber dem Atmosphärendruck geringeren Druck hätte, dann würde das höhere Druckniveau des Umgebungsraums die Dichtlippe von der Abtriebswelle abheben, und die Dichtwirkung des Wellendichtrings ging verloren; es käme somit zu Leckage von Arbeitsmedium in den
Umgebungsraum.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine mit einem Wellendichtring und einem Ventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie sowohl im Überdruckais auch im Unterdruckbetrieb ohne Leckage betrieben werden kann und der Wellendichtring in allen Betriebszuständen eine gute Dichtwirkung erzielt. Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine besitzt somit eine deutlich größere Spannbreite an Betriebszuständen, in denen sie ohne Leckage einsetzbar ist.
Dazu umfasst die erfindungsgemäße Expansionsmaschine eine Abtriebswelle und einen mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring. Die
Expansionsmaschine weist einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf. Im Betrieb wird die Expansionsmaschine mit einem Arbeitsmedium durchströmt, wobei im Betrieb der Expansionsmaschine verdichtetes
Arbeitsmedium in den Einströmbereich und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich strömt. Der Wellendichtring trennt einen mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum von einem Umgebungsraum. In der Expansionsmaschine ist ein Ventil angeordnet, und der Druck in dem Ventilraum ist durch das Ventil regelbar.
Dadurch ist der auf Seite der Expansionsmaschine auf den Wellendichtring wirkende Druck regelbar. Somit kann sichergestellt werden, dass auf den Wellendichtring an der Seite zur Expansionsmaschine der Druck immer mindestens genauso groß ist wie an der Seite zur Umgebung bzw. zum
Umgebungsraum. Die Dichtheitsfunktion des Wellendichtrings ist somit über alle Betriebszustände der Expansionsmaschine, selbst wenn diese im Unterdruck betrieben wird, sichergestellt. Es kommt zu keiner Leckage des Arbeitsmediums in den Umgebungsraum.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Expansionsmaschine ein Gehäuse, wobei das Ventil in dem Gehäuse angeordnet ist. Dadurch benötigt das Ventil kein eigenes Gehäuse, sondern kann kostengünstig und
bauraumsparend im Gehäuse der Expansionsmaschine angeordnet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Einströmbereich mit dem Ventilraum durch eine Drossel hydraulisch verbunden. Durch die Verbindung des
Ventilraums mit dem Einströmbereich kann der Ventilraum durch das Ventil auf das Druckniveau des Einströmbereichs geregelt werden, wobei dieses
Druckniveau höher ist als das Druckniveau des Umgebungsraums; dadurch wird eine gute Dichtungswirkung des Wellendichtrings erzielt. Bei geöffnetem Ventil führt die Drossel dazu, dass der Ventilraum nicht auf das - in diesem
Betriebszustand für den Ventilraum auch nicht benötigte - Druckniveau des Einströmbereichs angehoben wird.
In einer alternativen Ausführung ist der Ventilraum nicht mit dem Einströmbereich verbunden sondern mit einem Bereich, der zwischen Einström- und
Ausströmbereich liegt. Dadurch stellt sich bei geschlossenem Ventil ein geringerer Druck im Ventilraum ein als der Druck des Einströmbereichs. Die Belastung des Wellendichtrings wird dadurch verringert und dementsprechend seine Lebensdauer erhöht. ln einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Ventil einen Einlasskanal, einen Auslasskanal, und einen Schließkörper. Der Schließkörper ist vorzugsweise kugelförmig. Der Schließkörper wirkt mit einem Ventilsitz zusammen. Der Einlasskanal mündet in den Ventilraum bzw. führt aus diesem heraus. Der Schließkörper schließt bei Anlage an dem Ventilsitz eine hydraulische
Verbindung von dem Einlasskanal zu dem Auslasskanal, und er öffnet die hydraulische Verbindung beim Abheben von dem Ventilsitz. Durch das Öffnen und Schließen der hydraulischen Verbindung wird der Druck im Ventilraum auf einfache Art geregelt.
Vorteilhafterweise ist der Auslasskanal zumindest mittelbar mit dem
Ausströmbereich hydraulisch verbunden. Dadurch wird der Druck im Ventilraum bei geöffnetem Ventil auf das Druckniveau des Ausströmbereichs geregelt, welches in der Regel das niedrigste Druckniveau innerhalb der
Expansionsmaschine ist. Dadurch wird die Belastung des Wellendichtrings bei geöffnetem Ventil minimiert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Expansionsmaschine umfasst das Ventil einen Regelungsraum und einen in den Regelungsraum mündenden
Regelungskanal. Dadurch kann das Ventil pneumatisch oder hydraulisch geregelt oder sogar gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Regelungskanal mit dem
Umgebungsraum oder mit der Atmosphäre hydraulisch verbunden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auf der der Expansionsmaschine abgewandten Seite des Wellendichtrings der Druck des Umgebungsraums oder der Atmosphärendruck anliegt, weil dann genau dieser Druck auch als
Regelgröße für das Ventil verwendet werden kann. Weiterhin ist die Regelung mit Atmosphärendruck oder mit dem Druck des Umgebungsraums sehr kostengünstig, da ein Volumen, das ein entsprechendes Druckniveau aufweist, ohnehin in der Expansionsmaschine bzw. deren Anbauteilen oder eben in der Umgebung vorhanden ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Ventil eine Membran, und der Regelungsraum grenzt an die Membran. Dadurch kann der Regelungsraum mediendicht, insbesondere zum Einlasskanal und zum Auslasskanal, abgetrennt werden.
Vorzugsweise besteht die Membran aus einem Metall, insbesondere aus einem dünnen Metall, oder aus einem Elastomer. Dadurch ist die Membran
vergleichsweise gut deformierbar und die hydraulische Verbindung von
Einlasskanal zu Auslasskanal weist bei geöffnetem Ventil dementsprechend auch einen ausreichend großen Querschnitt auf.
In einer vorteilhaften Ausführung wirkt die Membran auf ihrer dem
Regelungsraum gegenüberliegenden Seite zumindest mittelbar mit dem
Schließkörper zusammen. Dadurch können die Geometrien und Materialien von Membran und Schließkörper bezüglich ihrer Funktionen bestmöglich ausgewählt werden: die Membran vergleichsweise elastisch und der Schließkörper verschleißfest und vergleichsweise steif.
In einer Weiterführung wirkt die Membran unter Zwischenlage eines Hilfskolbens mit dem Schließkörper zusammen, wobei der Hilfskolben vorzugsweise in einer Führungshülse längsbeweglich geführt ist. Der Hilfskolben hat dadurch zum einen die Funktion, die Längsbewegung beim Öffnen und Schließen des Ventils möglichst reibungsarm auszuführen, beispielsweise im Zusammenwirken mit der Führungshülse. Zum anderen kann die Kraftübertragung zwischen Hilfskolben und Schließkörper so gestaltet werden, dass sich der Schließkörper beim
Schließen des Ventils sehr gut in den Ventilsitz zentriert, beispielsweise durch konvexe Ausführungen der Kontaktflächen von Hilfskolben und Schließkörper.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung der Expansionsmaschine ist eine Ringkammer den Einlasskanal zumindest teilweise radial umgebend ausgebildet. Der Auslasskanal mündet in die Ringkammer, wobei der Ventilsitz zwischen dem Einlasskanal und der Ringkammer angeordnet ist. Dadurch wirken die Drücke vom Auslasskanal bzw. der Ringkammer und vom Einlasskanal in gleicher Richtung auf den Schließkörper. Steht der Auslasskanal unter geringerem Druck als Atmosphärendruck, dann ist für diesen Betriebszustand der Schließkörper mit einer vergleichsweise geringen resultierenden hydraulischen Kraft durch das Arbeitsmedium belastet. Der Schließkörper wird daher gegen den Ventilsitz gedrückt. Da der Ventilsitz zwischen der Ringkammer und dem Einlasskanal ausgebildet ist, kann über die Breite des Ventilsitzes so auch eine Drossellänge für den Betriebszustand des geöffneten Ventils eingestellt werden. Vorteilhafterweise ist der Schließkörper eine Membran, vorzugsweise aus einem
Elastomer oder einem dünnen Metall. Die Membran kann einfach, beispielsweise scheibenförmig, aufgebaut sein und ist damit kostengünstig einsetzbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist auch hier an der dem Ventilsitz gegenüberliegenden Seite der Membran ein Regelungsraum ausgebildet, der in einen Regelungskanal mündet. Der Regelungsraum kann somit über den Regelungskanal an ein Volumen angeschlossen werden, das einen
Regelungsdruck aufweist, beispielsweise an die Atmosphäre oder den
Umgebungsraum. Der Schließkörper bzw. die Membran ist dann von einer Seite mit diesem Regelungsdruck beaufschlagt und von der anderen Seite teilweise mit dem Druck der Ringkammer bzw. des Ausströmbereichs und teilweise mit dem Druck des Einlasskanals bzw. des Ventilraums. Durch die
Flächenverhältnisse der einzelnen Flächen, auf weiche die unterschiedlichen Drücke wirken, kann so das Öffnen und Schließen des Ventils geregelt werden, zum Beispiel folgendermaßen: Fällt der Druck in der Ringkammer unter den Druck des Regelungsraums, wird die Membran in den Ventilsitz gedrückt und die Druckhaltefunktion für den Ventilraum somit aktiviert.
Vorteilhafterweise ist der Regelungsraum zwischen der Membran und einem Deckel ausgebildet. Der Deckel verspannt vorzugsweise auch die Membran an ihrem Umfang, beispielweise indem er die Membran gegen das Gehäuse des Ventils bzw. der Expansionsmaschine drückt. Dadurch wird die Membran am Umfang innerhalb des Ventils fixiert. Das Öffnen und Schließen des Ventils erfolgt somit durch eine Bewegung der nicht verspannten Flächen der Membran.
Vorzugsweise ist der Regelungskanal in dem Deckel ausgebildet, wobei der Regelungskanal an seinem dem Regelungsraum gegenüberliegenden Ende vorzugsweise mit dem Umgebungsraum oder mit der Atmosphäre hydraulisch verbunden ist. Dadurch kann der Regelungskanal durch eine einfache Bohrung im Deckel kostengünstig hergestellt werden. Speziell für den Fall, dass der Regelungsraum mit dem Umgebungsraum verbunden ist, kann der Regelungskanal alternativ auch bauraumsparend durch ein gemeinsames Gehäuse von Expansionsmaschine bzw. Ventil und
Umgebungsraum geführt sein.
In bevorzugten Ausführungen ist die erfindungsgemäße Expansionsmaschine in einem Abwärmerückgewinnungssystem insbesondere einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, einen Verdampfer, die Expansionsmaschine und einen Kondensator. In einer vorteilhaften Ausführung ist der Auslasskanal hydraulisch zumindest mittelbar mit dem Kondensator verbunden. Der
Ausströmbereich der Expansionsmaschine ist hydraulisch üblicherweise mit dem Kondensator verbunden und weist somit den gleichen Druck auf wie der Kondensator. Vorteilhafterweise wird der Auslasskanal dann an dieses ohnehin vorhandene Druckniveau angeschlossen. Das Abwärmerückgewinnungssystem wird vorzugsweise nicht bei einem einzigen Betriebspunkt, sondern bei sehr unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben, da auch die Brennkraftmaschine bei unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben wird. Dadurch ist es für den Gesamtwirkungsgrad des Abwärmerückgewinnungssystems sehr günstig, wenn die Expansionsmaschine sowohl im Überdruck- als auch im Unterdruckbetrieb laufen kann. Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine ist demzufolge hierfür besonders geeignet.
Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig.2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Expansionsmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ventils der Expansionsmaschine, wobei Fig.3a das Ventil in Schließstellung und Fig.3b das Ventil in
Öffnungsstellung zeigt. Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Beschreibung
Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine 20 innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In dem Abwärmerückgewinnungssystem 1 sind in Flussrichtung eines Arbeitsmediums eine Pumpe 30, ein Verdampfer 31, eine Expansionsmaschine 20 und ein Kondensator 32 angeordnet. Der Verdampfer
31 ist auch an eine nicht dargestellte Abgasleitung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeschlossen.
Flüssiges Arbeitsmedium wird von der Pumpe 30 verdichtet und zum Verdampfer 31 gefördert, wo es durch die Wärmeenergie des Abgases der
Brennkraftmaschine verdampft wird. Anschließend wird das verdampfte
Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 20 zugeführt, wo es unter Abgabe von mechanischer Energie entspannt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 32 wieder verflüssigt.
Die Expansionsmaschine 20 kann dabei beispielsweise eine Turbine, ein
Kolbenexpander oder ein Scrollexpander sein. Im Ausführungsbeispiel der Fig.l ist die Expansionsmaschine 20 eine Turbine mit einem Laufrad 23 und einer Abtriebswelle 24.
Die Expansionsmaschine 20 umfasst weiterhin erfindungsgemäß einen
Einströmbereich 21, einen Ausströmbereich 22, einen Wellendichtring 25, ein Ventil 10, einen Ventilraum 11 und eine Trennwand 27. Das verdichtete
Arbeitsmedium durchströmt den Einströmbereich 21 und den Ausströmbereich 22 und wird dabei entspannt. Die dabei abgegebene mechanische Energie wird durch die Abtriebswelle 24 an einen oder mehrere nicht dargestellte Verwerter übertragen, beispielsweise einen Turbolader, ein Getriebe oder einen Generator.
Der Einströmbereich 21 ist über eine Drossel 9 mit dem Ventilraum 11 hydraulisch zumindest mittelbar verbunden. Das Ventil 10 öffnet und schließt eine hydraulische Verbindung von dem Ventilraum 11 zu dem Ausströmbereich 22 bzw. zu dem Kondensator 32. Der Ventilraum 11 ist durch die Trennwand 27 zu dem Ausströmbereich und durch den Wellendichtring 25 zu einem
Umgebungsraum 40 abgedichtet. Der Umgebungsraum 40 kann dabei beispielsweise ein Getrieberaum oder aber auch ein Atmosphärenraum sein.
Die Trennwand 27 ist in der Fig.l zwischen dem Ausströmbereich 22 und dem Ventilraum 11 dargestellt, muss jedoch nicht zwangsläufig so angeordnet sein. Sie soll nur verdeutlichen, dass es in den Ventilraum 11 lediglich einen hydraulischen Zufluss über die Drossel 9 und einen hydraulischen Abfluss über das Ventil 10 gibt und dass der Ventilraum 11 im Übrigen von dem
Einströmbereich 21 und dem Ausströmbereich 22 getrennt ist. Weiterhin hängt die Anordnung des Ventilraums 11 davon ab, auf welcher Seite die Abtriebswelle 24 aus der Expansionsmaschine 20 herausgeführt wird, da üblicherweise an dieser Stelle der Wellendichtring 25 angeordnet ist und dementsprechend auch benachbart der Ventilraum 11 angeordnet werden muss.
In einer alternative Ausführungsform kann beispielsweise das Ventil 10 auch in der Trennwand 27 angeordnet sein; oder die Trennwand 27 kann zwischen Einströmbereich 21 und Ventilraum 11 angeordnet sein und die Drossel 9 dann in der Trennwand 27 ausgebildet sein. Entscheidend für die diversen
Ausführungsformen sind dabei auch die Drücke in Einströmbereich 21,
Ausströmbereich 22, Ventilraum 11 und Umgebungsraum 40; darauf wird später jedoch noch genauer eingegangen.
Fig.2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Expansionsmaschine 20, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Expansionsmaschine 20 ist als Radialturbine ausgeführt und umfasst ein Gehäuse 26, in dem das Ventil 10 angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind auch das Laufrad 23, die mit ihm fest verbundene Abtriebswelle 24 und der Wellendichtring 25 in dem Gehäuse 26 angeordnet. Weiterhin sind in dem Gehäuse 26 der Einströmbereich 21, der Ausströmbereich 22 und der Ventilraum 11 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel der Fig.2 kann die in der Fig.l schematisch dargestellte Trennwand 27 somit aus einem Verbund von Laufrad 23 und Abtriebswelle 24 gesehen werden.
Der Ventilraum 11 ist vorteilhafterweise an einer Rückseite 23b des Laufrads 23 ausgebildet, also auf der dem eigentlichen Strömungspfad des Arbeitsmediums durch das Laufrad 23 abgewandten Seite. Dadurch kann ein im Ventilraum 11 gegenüber dem Ausströmbereich 22 herrschender Überdruck einen zumindest teilweisen Ausgleich der auf das Laufrad 23 wirkenden Drücke bzw. Kräfte in axialer Richtung bewirken. Der Wellendichtring 25 dichtet den Ventilraum 11 zu dem Umgebungsraum 40 ab, indem eine auf dem Wellendichtring 25
angeordnete Dichtlippe 25a mit der Abtriebswelle 24 zusammenwirkt.
Der Übergang vom Einströmbereich 21 zum Ausströmbereich 22 ist keine klar zu definierende Grenze. Das Arbeitsmedium wird beim Durchströmen des Laufrads 23 auf dessen Vorderseite 23a entspannt, wobei durch die Entspannung ein Druckgefälle über dem Laufrad 23 bzw. über der Vorderseite 23a entsteht, so dass hier der Einströmbereich 21 nicht eindeutig vom Ausströmbereich 22 zu trennen ist, sondern sich eine Art Mischbereich ausbildet, in welchem der Druck von einem Einlassdruck vor der Expansionsmaschine 20 zu einem Auslassdruck nach der Expansionsmaschine 20 fällt.
Der Ventilraum 11 ist über die Drossel 9 hydraulisch mit dem Einströmbereich 21 verbunden. In alternativen Ausführungsformen kann der Ventilraum 11 jedoch auch mit dem Mischbereich verbunden sein. Es ist jedoch darauf zu achten, dass an der Drossel 9 der dem Ventilraum 11 gegenüberliegende Bereich - unabhängig davon ob Einströmbereich 21 oder Mischbereich - im Betrieb der Expansionsmaschine 20 einen größeren Druck aufweist als der Umgebungsraum 40.
Das Ventil 10 umfasst einen Einlasskanal 12, einen Auslasskanal 13, einen kugelförmigen Schließkörper 15 und eine Schließfeder 16. Der Einlasskanal 12 mündet in den Ventilraum 11. Der Auslasskanal 13 mündet vorteilhafterweise in einen Bereich, der einen geringeren Druck aufweist als der Ventilraum 11, zum Beispiel in den Ausströmbereich 22. Der Schließkörper 15 wirkt mit einem an dem Gehäuse 26 ausgebildeten Ventilsitz 26a zusammen und öffnet und schließt dadurch eine hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu dem
Auslasskanal 13. Die Schließfeder 16 drückt den Schließkörper 15 gegen den Ventilsitz 26a. Durch die Schließfeder 16 kann somit ein Mindestdruck in dem
Ventilraum 11 eingestellt werden.
Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Ventils 10, wobei Fig.3a das Ventil 10 in Schließstellung und Fig.3b das Ventil 10 in Öffnungsstellung zeigt. Das Ventil 10 ist in dem Gehäuse 26 der Expansionsmaschine 20 angeordnet. Alternativ kann das Ventil 10 jedoch auch in einem beliebigen anderen Gehäuse angeordnet sein.
Der Einlasskanal 12 ist in einer Einlassleitung 12a und der Auslasskanal 13 in einer Auslassleitung 13a ausgebildet. Die Einlassleitung 12a und die
Auslassleitung 13a sind in das Gehäuse 26 eingepresst oder eingeschraubt. Sowohl der Einlasskanal 12 als auch der Auslasskanal 13 münden in einen im Gehäuse 26 ausgebildeten Innenraum 50. Im Innenraum 50 ist zwischen
Einlassleitung 12a und Auslassleitung 13a am Gehäuse 26 der Ventilsitz 26a angeordnet, mit dem der im Innenraum 50 angeordnete Schließkörper 15 zusammenwirkt. Der Schließkörper 15 wird in Schließstellung des Ventils 10 von einer Membran 51, welche in diesem Ausführungsbeispiel wie eine Blattfeder wirkt, unter Zwischenlage eines Hilfskolbens 52 gegen den Ventilsitz 26a gedrückt (Fig.3a). In Öffnungsstellung des Ventils 10 ist der Schließkörper 15 von dem Ventilsitz 26a abgehoben und öffnet so die hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu dem Auslasskanal 13 (Fig.3b).
Der Hilfskolben 52 ist von einer fest mit dem Gehäuse 26 verbundenen
Führungshülse 53 längsbeweglich, also in Öffnungs- und Schließrichtung des Schließkörpers 15, im Gehäuse 26 geführt. Die Membran 51 ist mit einem
Klemmstück 54 an ihrem Rande fest mit der Führungshülse 53 und somit auch mittelbar mit dem Gehäuse 26 verbunden. Ein Deckel 55 ist mit dem Gehäuse 26 verschraubt und drückt dadurch das Klemmstück 54 unter Zwischenlage des Randes der Membran 51 gegen die Führungshülse 53; die Membran 51 ist somit an ihrem Umfang mit dem Gehäuse 26 verspannt. Der Kontakt zwischen Führungshülse 53 und Schließkörper 15 kann beispielsweise konvex gestaltet sein, um das selbständige Zentrieren des Schließkörpers 15 im Ventilsitz 26a zu optimieren.
Zwischen Membran 51, Klemmstück 54 und Deckel 55 ist ein Regelungsraum 60 ausgebildet. Die Membran 51 dichtet dabei den Regelungsraum 60 gegen den Innenraum 50 ab. In den Regelungsraum 60 mündet ein Regelungskanal 14. Der Regelungskanal 14 kann, wie im Ausführungsbeispiel der Fig.3, eine Bohrung im Deckel 55 sein. Der Regelungskanal 14 kann jedoch beispielsweise auch in einer Regelungsleitung ausgebildet sein, welche in den Deckel 55 oder in das
Gehäuse 26 eingeschraubt oder eingepresst ist.
In alternativen Ausführungsformen können die Führungshülse 53 und/oder das Klemmstück 54 auch weggelassen werden. Die entsprechenden Funktionen - Verspannen der Membran 51 und Führung des Hilfskolbens 52 - werden dann beispielsweise in die beiden Bauteile Gehäuse 26 und Deckel 55 integriert.
Weiterhin ist es auch möglich den Hilfskolben 52 wegzulassen und die Membran 51 direkt auf den Schließkörper 15 wirken zu lassen.
Vorzugsweise sind der Regelungskanal 14 mit der Atmosphäre, der Einlasskanal 12 mit dem Ventilraum 11 und der Auslasskanal 13 mit dem Ausströmbereich 22 hydraulisch verbunden.
Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ventils 10, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Ventil 10 ist in dem Gehäuse 26 der Expansionsmaschine 20 angeordnet. Alternativ kann das Ventil 10 jedoch auch in einem beliebigen anderen Gehäuse angeordnet sein.
In dem Gehäuse 26 sind der Einlasskanal 12 und der Auslasskanal 13 angeordnet. Eine Membran 51' ist zwischen dem Gehäuse 26 und dem Deckel 55 eingespannt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Membran 51' die Funktion des Schließkörpers hat. Der Deckel 55 ist mit dem Gehäuse 26 verschraubt. Im Deckel 55 ist der Regelungskanal 14 ausgebildet. Zwischen dem Deckel 55 und der Membran 51' ist der Regelungsraum 60 ausgebildet, in welchen der Regelungskanal 14 mündet. An der dem Regelungsraum 60 gegenüberliegenden Seite dichtet die Membran 51' in Schließstellung des Ventils 10 den Einlasskanal 12 ab, indem sie mit dem am Gehäuse 26 ausgebildeten Ventilsitz 26a zusammenwirkt. Den Einlasskanal 12 zumindest teilweise radial umgebend ist im Gehäuse 26 eine Ringkammer 61 ausgebildet, in die der Auslasskanal 13 mündet. In Schließstellung des Ventils 10 ist die hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu der Ringkammer 61 durch Anlage der Membran 51' an den Ventilsitz 26a geschlossen. In
Öffnungsstellung des Ventils 10 ist die Membran 51' von dem Ventilsitz 26a abgehoben und damit die hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu der Ringkammer 61 geöffnet.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Expansionsmaschine 20 ist wie folgt:
Der Wellendichtring 25 dichtet den mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum 11 zum Umgebungsraum 40 ab. Der Umgebungsraum 40 kann dabei beispielsweise mit Luft oder mit Getriebeöl gefüllt sein. Im Ausführungsbeispiel der Fig.2 ist die Dichtlippe 25a des Wellendichtrings 25 in Richtung Ventilraum 11, also zur Expansionsmaschine hin gekrümmt. Dies ist eine für eine Expansionsmaschine 20 typische Anordnung der Dichtlippe 25a. Das heißt im Ventilraum 11 muss ein größerer Druck herrschen als im Umgebungsraum 40, um die Dichtlippe 25a auf die Abtriebswelle 24 zu drücken und damit eine Dichtungswirkung zu erzielen. Das Ventil 10 ist vorzugsweise in Expansionsmaschinen 20 angeordnet, welche zumindest zeitweise im Unterdruck betrieben werden; das heißt der
Ausströmbereich 22 dieser Expansionsmaschinen 20 weist zumindest zeitweise einen geringeren Druck als Atmosphärendruck auf.
Üblicherweise liegt das Druckniveau des Ventilraums 11 auf dem
Niederdruckniveau der Expansionsmaschine 20, also auf dem Druckniveau des Ausströmbereichs 22. Ist der Ventilraum 11 also hydraulisch mit dem
Ausströmbereich 22 verbunden bzw. verbindbar, so muss er durch eine
Vorrichtung auf einem Druckniveau gehalten werden, welches über dem des Umgebungsraums 40 liegt, um die Dichtwirkung durch den Wellendichtring 25 zu erhalten. Und damit muss der Ventilraum 11 auch über dem Druckniveau des Ausströmbereichs 22 gehalten werden, falls dieses unter das Druckniveau des Umgebungsraums 40 fällt.
Diese Aufgabe erfüllt das Ventil 10: Bei geöffnetem Ventil 10 ist die hydraulische Verbindung vom Ventilraum 11 zum Ausströmbereich 22 geöffnet, der Ventilraum 11 wird somit das Druckniveau des Ausströmbereichs 22 annehmen. Solange der Ausströmbereich 22 einen größeren oder gleich hohen Druck besitzt wie der Umgebungsraum 40, wird dadurch also noch eine Dichtungswirkung des
Wellendichtrings 25 erzielt. Fällt der Druck im Ausströmbereich 22 nun unter den Druck des Umgebungsraums 40, beispielsweise weil die Expansionsmaschine 20 im Unterdruck betrieben wird, so wird das Ventil 10 geschlossen und damit die hydraulische Verbindung vom Ventilraum 11 zum Ausströmbereich 22.
Der Ventilraum 11 ist über die Drossel 9 hydraulisch ständig mit einem Bereich verbunden, dessen Druckniveau im Betrieb der Expansionsmaschine 20 über dem Druckniveau des Umgebungsraums 40 liegt, zum Beispiel mit dem
Einströmbereich 21, wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 dargestellt. Bei geschlossenem Ventil 10 steigt der Druck im Ventilraum 11 somit auf das Druckniveau dieses Bereichs an. Wird das Ventil 10 geöffnet, so entsteht an der Drossel 9 ein Druckgefälle.
Die Regelung der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventils 10, damit im Betrieb der Expansionsmaschine 20 auch bei minimalem Druck des
Auslasskanals 13 bzw. des Ausströmbereichs 22 bzw. des Kondensators 32 noch ein Überdruck im Ventilraum 11 gegenüber dem Umgebungsraum 40 vorhanden ist, erfolgt in den unterschiedlichen Ausführungsformen auf verschiedene Weise:
- In der Ausführungsform der Fig.2 erfolgt die Regelung durch Einstellung der Schließfeder 16 im Zusammenhang mit dem Sitzdurchmesser des Ventilsitzes 26a. Zum Beispiel: Wird der Kondensator 32 mit pK = 0,5 bar absolut betrieben und weist der Umgebungsraum 40 Atmosphärendruck, also py = 1,0 bar auf, dann muss die Schließfeder 16 eine Druckhaltefunktion von pv = 0,7 bar besitzen (hier müssen die hydraulischen Kräfte aufgrund des Sitzdurchmessers des Ventilsitzes 26a berücksichtigt werden), damit an der Wellendichtung 25 eine Druckdifferenz Δρ = 0,2 bar zur Abdichtung des Ventilraums 11 gegen den Umgebungsraum 40 herrscht. (Δρ = pK + Pv - Pu)
- In der Ausführungsform der Fig.3 erfolgt die Regelung durch die Durchmesser des Hilfskolbens 52 und des Ventilsitzes 26a. In Varianten, in denen der Hilfskolben 52 weggelassen wird, wird dementsprechend der relevante Durchmesser der Membran 51, an dem der Druck des Innenraums 50 anliegt, zur Regelung herangezogen.
- In der Ausführungsform der Fig.4 erfolgt die Regelung durch die Durchmesser von Ventilsitz 26a, Ringkammer 61 und Regelungsraum 60. Dabei sind vorzugsweise die Durchmesser von Ringkammer 61 und Regelungsraum 60 in etwa gleich groß. Der Durchmesser des Regelungsraums 60 muss jedoch größer als der Durchmesser des Ventilsitzes 26a sein.
Die Steifigkeit der Membran 51, 51' hat selbstverständlich eine Auswirkung auf das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils 10 in den Ausführungsformen der Figuren 3 und 4. Idealerweise ist die Membran 51, 51' weich ausgelegt, beispielsweise als Elastomer-Membran oder auch als dünne metallische
Membran, um das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils 10 einfach und robust über die oben genannten Durchmesser auslegen zu können.

Claims

Ansprüche
1. Expansionsmaschine (20) mit einer Abtriebswelle (24) und einem mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring (25), wobei die
Expansionsmaschine (20) einen Einströmbereich (21) und einen
Ausströmbereich (22) aufweist und im Betrieb mit einem Arbeitsmedium durchströmt wird, wobei im Betrieb verdichtetes Arbeitsmedium in den
Einströmbereich (21) und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich (22) strömt, und wobei der Wellendichtring (25) einen mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum (11) von einem Umgebungsraum (40) trennt,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (10) in der Expansionsmaschine (20) angeordnet ist und der Druck in dem Ventilraum (11) durch das Ventil (10) regelbar ist.
2. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (20) ein Gehäuse (26) umfasst und das Ventil (10) in dem Gehäuse (26) angeordnet ist.
3. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (21) mit dem Ventilraum (11) durch eine Drossel (9) hydraulisch verbunden ist.
4. Expansionsmaschine (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) einen Einlasskanal (12), einen Auslasskanal (13), und einen vorzugsweise kugelförmigen Schließkörper (15) umfasst, wobei der Schließkörper (15) mit einem Ventilsitz (26a) zusammenwirkt, wobei der Einlasskanal (12) in den Ventilraum (11) mündet, und wobei der Schließkörper (15) bei Anlage an dem Ventilsitz (26a) eine hydraulische
Verbindung von dem Einlasskanal (12) zu dem Auslasskanal (13) schließt und beim Abheben von dem Ventilsitz (26a) die hydraulische Verbindung öffnet.
5. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (13) zumindest mittelbar mit dem Ausströmbereich (22) hydraulisch verbunden ist.
6. Expansionsmaschine (20) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) einen Regelungsraum (60) und einen in den Regelungsraum (60) mündenden Regelungskanal (14) umfasst.
7. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungskanal (14) mit dem Umgebungsraum (40) oder mit der
Atmosphäre hydraulisch verbunden ist.
8. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) eine Membran (51) umfasst und dass der Regelungsraum (60) an die Membran (51) grenzt, wobei die Membran (51) vorzugsweise aus einem Metall oder aus einem Elastomer besteht.
9. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (51) auf ihrer dem Regelungsraum (60) gegenüberliegenden Seite zumindest mittelbar mit dem Schließkörper (15) zusammenwirkt.
10. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (51) unter Zwischenlage eines Hilfskolbens (52) mit dem
Schließkörper (15) zusammenwirkt, wobei der Hilfskolben (52) vorzugsweise in einer Führungshülse (53) längsbeweglich geführt ist.
11. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (15) eine Membran (51'), vorzugsweise aus einem Metall oder aus einem Elastomer, ist.
12. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringkammer (61) den Einlasskanal (12) zumindest teilweise radial umgebend ausgebildet ist und der Auslasskanal (13) in die Ringkammer (61) mündet, wobei der Ventilsitz (26a) zwischen dem Einlasskanal (12) und der Ringkammer (61) angeordnet ist.
13. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass an der dem Ventilsitz (26a) gegenüberliegenden Seite der Membran (5 ) ein Regelungsraum (60) ausgebildet ist, der in einen
Regelungskanal (14) mündet.
14. Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsraum (60) zwischen der Membran (51') und einem Deckel (55) ausgebildet ist, wobei der Deckel (55) die Membran (51') an ihrem Umfang verspannt und wobei der Regelungskanal (14) in dem Deckel (55) ausgebildet ist, wobei der Regelungskanal (14) an seinem dem Regelungsraum (60) gegenüberliegenden Ende vorzugsweise mit dem Umgebungsraum (40) oder mit der Atmosphäre hydraulisch verbunden ist.
15. Abwärmerückgewinnungssystem (1) mit einer Expansionsmaschine (20) nach einem der Ansprüche 4 bis 14, einem Kondensator (32), einer Pumpe (30) und einem Verdampfer (31).
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