WO2016045843A1 - Pumpvorrichtung, insbesondere axialkolbenpumpe, für eine abwärmenutzungseinrichtung eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Pumpvorrichtung, insbesondere axialkolbenpumpe, für eine abwärmenutzungseinrichtung eines kraftfahrzeugs Download PDF

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Jochen Eggler
Alfred ELSÄSSER
Helge LADISCH
Christian Maisch
Sascha Senjic
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a pump device, in particular an axial piston pump, for a waste heat utilization device of a motor vehicle.
  • Waste heat utilization devices are used for energy recovery from a waste heat flow of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • Waste heat utilization devices known from the prior art typically comprise a fluid circuit, for example a so-called Clausius-Rankine cycle in which a working fluid circulates. From the heat stored in the working medium mechanical energy is obtained by various state changes in the working fluid, which this is subjected to when flowing through the fluid circuit.
  • a reciprocating or axial piston pump follows the operating principle of a positive-displacement pump in which the so-called displacer in the form of a piston executes a translatory stroke movement within a working volume.
  • the basic idea of the invention is therefore to attach the fluid lines serving for discharging and introducing the working fluid into the working volume of the pumping device, hereinafter referred to as "working space", both in the same axial end section of the working space Since such flow losses and the associated undershooting of the vapor pressure in the working fluid are the main causes for the occurrence of cavitation, unwanted cavitation effects can also be prevented in this way. As a result, this leads to an improved delivery rate and to an increased life of the pumping device.
  • a pumping device comprises a working chamber which is partially delimited by a pump housing and which can be filled in a known manner with a working fluid - hereinafter referred to simply as "fluid" for the sake of simplicity between a first position, in which the working space has a maximum volume, and a second position, in which has this volume a minimum value, adjustable along an axial direction.
  • a first fluid line serves to introduce the fluid into the working space.
  • the first fluid line is fluidically connected to the working space by means of an opening which is formed in the pump housing at an end face of the working space opposite the piston. In the region of the opening, a first valve element for closing the first fluid line against the working space is provided in the first fluid line and / or in the working space.
  • a second fluid line opens into the working space, via which the fluid can be discharged from the working space again, in the region of the second position of the piston.
  • a second valve element is provided for closing the second fluid channel against the working space.
  • the first fluid line extends at least in the region of the opening transversely to the axial direction. In this way, the space required for the pumping device space can be kept low.
  • the first fluid line can be formed as, in particular closed, annular fluid channel. In this way, undesirable, because the efficiency of the pumping device reducing pressure losses can be kept small.
  • Unnecessary dead volumes can also be avoided if the first valve element communicates fluidically directly with the first fluid line.
  • the formation of the efficiency of the pumping device reducing dead volumes can be counteracted in a further preferred embodiment, in which the first valve element is disposed completely in the working space and communicates via the opening fluidly with the first fluid line fluidly.
  • the first valve element projects at least partially into the working space. In this way, undesirable because cavitation favoring flow losses in the region of the valve element can be further reduced.
  • the mouth region of the second fluid line is provided in an axial end section of the working space facing the first fluid line. This means that the two fluid lines adjacent to each other open into the working space of the pumping device. In this way, the occurrence of cavitation favoring flow losses can be limited to a spatially limited area of the working space.
  • the second valve element can communicate directly with the working space, in particular directly without the formation of a gap.
  • the second fluid line in a working space bounding peripheral side and / or in a working space to the first fluid line towards limiting Front side opens into the work space.
  • An opening of the second fluid line in a transition region between the circumferential and end side is possible.
  • the second valve element forms part of the circumferential and / or end boundary of the working space.
  • the second valve element can be substantially flush with an end face bounding the working space to the first fluid line.
  • the first valve element is an adjustable between an open and a closed position check valve, which is adjusted from the closed to the open position, when the fluid pressure in the first fluid line is greater than in the working space and the pressure difference exceeds a predetermined threshold.
  • the second valve element may be a non-return valve which can be adjusted between an open and a closed position.
  • the second check valve is configured such that it is adjusted from the closed to the open position when the fluid pressure in the working space is greater than in the second fluid line and the pressure difference exceeds a predetermined threshold. Accordingly, the second check valve can be returned to the closed position. be reset when the pressure difference falls below said threshold again.
  • first fluid conduit extends the working space along the axial direction.
  • an orifice of the second fluid conduit may be disposed in the working space with respect to its axial position such that the piston just does not close it in its second position.
  • the first valve element projects into the working space in such a way that the remaining volume between the piston in its second position and the first valve element assumes a minimum value. This measure counteracts unwanted flow and compression losses of the fluid in the working volume.
  • a spring-elastic element can be provided in the working space.
  • the spring-elastic element is supported at one end on the first valve element and on the other end on the piston, thus biasing the piston towards the first position. If the delivery rate desired in a specific application exceeds the delivery rate that can actually be achieved by the pumping device according to the invention, then it is advisable to set a plurality of pumping devices according to the invention in operative connection with each other and to connect them fluidically in parallel to increase the delivery rate.
  • the invention therefore also relates to a pump arrangement with three previously proposed pump devices according to the invention, whose working chambers are arranged parallel to each other with the openings between the working space and the first fluid line in each case with respect to the axial direction.
  • the arrangement of the three working chambers with the openings between the first fluid line and the working space in this case has a 120 ° rotational symmetry in a cross section perpendicular to the axial direction with respect to a predefined point of symmetry.
  • the three first fluid lines are designed as a common annular fluid channel with the already mentioned point of symmetry as the ring center of the annular fluid channel. In this way, the space required for the three pumping devices can be kept low.
  • the symmetrical design of the three pumping devices moreover leads to the fact that even with the fluidic interconnection of three pumping devices the occurrence of undesired cavitation can be largely or even completely avoided.
  • the invention relates to a waste heat utilization device which comprises a fluid circuit through which a working medium flows through or through which a fluid can flow.
  • a waste heat utilization device which comprises a fluid circuit through which a working medium flows through or through which a fluid can flow.
  • an above-presented, inventive pumping device or a previously presented, inventive pumping arrangement with three pumping devices is arranged.
  • FIG. 1 is a perspective view of an example of a pump arrangement according to the invention
  • FIG. 2 is a detail view of FIG. 1, in which the structure of a pumping device 1 of the pumping arrangement is shown in greater detail, FIG.
  • Fig. 3 is a detail of the pumping device of Figure 2 in the region of a
  • FIG. 4 shows a diagrammatic representation of the tripod-type construction of the three pumping devices of FIG. 1 in a sketch-like representation.
  • 1 shows a perspective view of an example of a pump arrangement 20 according to the invention.
  • FIG. 2 shows a detail of FIG. 1, in which the structure of a pump device 1 of the pump arrangement 20 is shown in more detail.
  • FIG. 3 again shows a detailed representation of FIG. 2 in the region of a working space 3 of the pump device 1.
  • the pump arrangement 20 comprises three pump devices 1, each designed as a lifting or axial piston pump, which are realized to form the pump arrangement 20 in the form of a tripod arrangement.
  • the respective pistons 2 of the three pumping devices 1 and the working chambers 3 accommodating the respective pistons 2, each of which is delimited by a pump housing 4, are arranged parallel to one another with respect to their axial axis.
  • an adjustable along an axial direction A piston 2 is arranged in each of the three working spaces 3.
  • Each of the three pistons 2 is axially adjustable between a first position, in which the working space 3 has a maximum volume, and a second position, in which the working space 3 has a minimum volume.
  • a common electric motor 22 which is arranged in a pump housing 4 against the axial direction A extending motor housing 21.
  • the control of the electric motor 22 can be carried out with the aid of an electrical / electronic control unit 25, which is fastened on an axially remote from the pump housing 4 side of the motor housing 22 at this.
  • the pump housing 4 is limited together with the piston 2 the working space 3, which is filled with a fluid - the working fluid of the pumping device 1.
  • the pump device 1 has a first fluid line 5, which by means of an nes breakthrough 9 is fluidly connected to the working space 3.
  • the opening 9 is formed on a piston 2 at an opposite end face 7 of the working space 3 in the pump housing 4.
  • the first fluid line 5 extends in the region of the aperture 9 transversely to the axial direction A. In this case, the first fluid line 5 extends in the region of the aperture 9 in said plane perpendicular to the axial direction A.
  • the first fluid line 5 is formed as a closed annular fluid channel 23 which extends completely in a plane perpendicular to the axial direction A. Consequently, the first fluid line 5 is curved in the region of the opening 9.
  • a first valve element 10 for closing the first fluid line 5 is provided in the working space 3.
  • the first valve element 10 may also be arranged in the region of the opening 9 on the side of the first fluid line 5.
  • the first valve element 10 can also project from the first fluid line 5 through the opening 9 into the working space 3, preferably in such a way that the dead volume of the working space 3 becomes minimal or even assumes a zero value. Unnecessary dead volumes can also be avoided if the first valve member 10 communicates fluidically directly with the first fluid conduit 5, i. no gap is formed between the first fluid line 5 and the first valve element 10.
  • the first valve element 10 is a check valve 1 1 which is adjustable between an open and a closed position. In the closed position, the first valve element 10 closes the first fluid line 5 against the working space 3 in a fluid-tight manner. In the open position, the first valve element 10 releases the fluid connection between the first fluid line 5 and the working space 3, so that the fluid can be introduced from the first fluid line 5 into the working space 3.
  • the check valve 1 1 is moved from its closed position to its open position when the fluid pressure in the first fluid line 5 is greater than in the working space 3 and the pressure difference exceeds a predetermined threshold. This is done by an axial movement of the piston 2 from the opening 9 away.
  • the pump device 1 also comprises a fluid supply line 24 for introducing the fluid into the first fluid line 5.
  • the first fluid line 5 extends the working space 3 along the axial direction A.
  • the fluid supply line 24 opens tangentially into the first As an annular fluid channel 23 formed first fluid line 5.
  • the fluid supply line 24 may also lead obliquely into the first fluid line 5. This may mean in particular that in a longitudinal section of the pump device 1 along the axial direction A, the fluid supply line 24 forms an acute angle with the plane perpendicular to the axial direction A, in which the annular fluid channel 23 is arranged.
  • a second fluid line 6 which opens into the working space 3 in the region of the second position of the piston 2 - this position is shown in FIG. 2 and also in the detail illustration of FIG.
  • the mouth region 12 of the second fluid line 6 is thus - as well as the front-side introduced first fluid line 5 - in one of the first Fluid line 5 facing axial end portion 14 of the working space 3 is arranged.
  • the second fluid line 6 opens into a transition region between a peripheral wall 15 bounding the working space 3 of the pump housing 4 and an end wall bounding the pump housing 4 to the first fluid line 5 into the working space 3.
  • the second fluid line 6 opens obliquely into the working space relative to the axial direction A. 3.
  • a mouth opening 16 of the second fluid line 6 is arranged with respect to its axial position such that the piston 2 just does not close the mouth opening 16 in its second position.
  • a second valve element 13 is also provided in the mouth region 12 of the second fluid line 6 into the working space 3 for selectively sealing the second fluid line 6 in a fluid-tight manner with respect to the working space.
  • the second valve element 13 is, as the first valve element 10, realized as a check valve 17. In contrast to the first valve element 10, however, it is adjusted from the closed to the open position when the fluid pressure in the working space 3 is greater than in the second fluid line and the pressure difference is a predetermined
  • Threshold exceeds. This happens when the piston is moved along the axial direction A to the opening 9.
  • the second valve element 13 which is arranged in the transition region between peripheral and frontal boundary of the working space 3, part of the peripheral or frontal boundary of the working space 3.
  • the second valve element 13 is substantially flush with the the working space 3 to the first fluid line 5 towards limiting end face and / or peripheral side.
  • a spring-elastic element 19 can be provided in the working space 3. This is based on Figure 3, which at one end on the first valve element 10 and the other end on the piston 2 and thus biases the piston 2 to the first position.
  • FIG. 4 shows the structure of FIG. 2 in a cross section perpendicular to the axial direction A in a rough schematic representation.
  • the three working spaces 3 of the three pumping devices 1 - indicated by dashed lines in FIG. 4 - are arranged parallel to one another along the axial direction A.
  • the arrangement of the three working spaces 3 in cross-section perpendicular to the axial direction A with respect to a predefined point of symmetry S has a 120 ° rotational symmetry.
  • the three first fluid lines 5 are formed as a common annular fluid channel 23 with the point of symmetry S as the ring center M.
  • the fluid channel 23 may be arranged in a plane perpendicular to the axial direction A.
  • the formation of the first fluid line 5 can be used as an annular fluid channel 23 to supply the working spaces 3 of all three pumping devices 1 in the manner described above with the working medium. This ensures that the formation of unwanted cavitation can be largely or even completely prevented both in the fluid channel 23 and in the three working spaces 3.
  • the three second fluid lines 6 open corresponding to the figure 2 in a common fluid discharge line eighth

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung (1), insbesondere Axialkolbenpumpe, für eine Abwärmenutzungseinrichtung, mit einem von einem Pumpengehäuse (4) teilweise begrenzten Arbeitsraum (3), in welchem ein Kolben (2) entlang einer axialen Richtung (A) verstellbar angeordnet ist, mit einer ersten Fluidleitung (5) zum Einleiten des Fluids in den Arbeitsraum (3), wobei die erste Fluidleitung (5) mittels eines Durchbruchs (9), der an einer an einer dem Kolben (2) gegenüberliegenden Stirnseite (7) des Arbeitsraums (3) im Pumpengehäuse (4) ausgebildet ist, fluidisch mit dem Arbeitsraum (3) verbunden ist, wobei im Bereich des Durchbruchs (9) in der ersten Fluidleitung (5) und oder im Arbeitsraum (3) ein erstes Ventilelement (10) vorgesehen ist, mit einer zweiten Fluidleitung (6) zum Ausleiten des Fluids aus dem Arbeitsraum (3), die im Bereich der zweiten Position des Kolbens (2) in den Arbeitsraum (3) mündet, wobei in einem Mündungsbereich (12) der zweiten Fluidleitung (6) in den Arbeitsraum (3) ein zweites Ventilelement (13) vorgesehen ist.

Description

Pumpvorrichtung, insbesondere Axialkolbenpumpe,
für eine Abwärmenutzungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung, insbesondere eine Axialkolbenpumpe, für eine Abwärmenutzungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
Abwärmenutzungseinrichtungen dienen zur Energierückgewinnung aus einem Abwärmestrom einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Aus dem Stand der Technik bekannte Abwärmenutzungseinrichtungen umfassen typischerweise einen Fluidkreislauf, beispielweise einen sogenannten Clausius-Rankine- Kreislauf in welchem ein Arbeitsfluid zirkuliert. Aus der im Arbeitsmedium gespeicherten Wärme wird durch verschiedene Zustandsänderungen im Arbeitsfluid, welchen dieses beim Durchströmen des Fluidkreislaufs unterworfen wird, mechanische Energie gewonnen.
Zum Transportieren des Arbeitsfluids kommen Pumpvorrichtungen zum Einsatz, die beispielsweise in Form einer sogenannten Hub- oder Axialkolbenpumpe realisiert sein können. Eine solche Hub- bzw. Axialkolbenpumpe folgt dem Wirkprinzip einer Verdrängerpumpe, bei welcher der sogenannte Verdränger in Form eines Kolbens eine translatorische Hubbewegung innerhalb eines Arbeitsvolumens ausführt.
Als problematisch bei solchen Hubkolbenpumpen erweisen sich oftmals bei der Förderung des Arbeitsfluids im Arbeitsvolumen auftretende Kavitationseffekte. Diese führen typischerweise zu einer Minderung der innerhalb eines Hubzyklus' von der Pumpe geförderten Fluidmenge. Im Extremfall können als Folge einer solchen Kavitation sogar einzelne, mit dem Arbeitsfluid in Kontakt stehende Korn- ponenten der Pumpvorrichtung wie beispielsweise Ventilelennente o.ä. irreversibel beschädigt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbessere Ausführungs- form für eine Pumpvorrichtung zu schaffen, bei welcher die genannten Probleme nicht mehr oder allenfalls in stark eingeschränkter Form auftreten.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die zum Aus- und Einleiten des Ar- beitsfluids in das Arbeitsvolumen der Pumpvorrichtung - im Folgenden als„Ar- beitsraum" bezeichnet - dienenden Fluidleitungen beide in demselben axialen Endabschnitt des Arbeitsraums anzubringen. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass auf diese Weise Strömungsverluste im Mündungsbereich der Fluidleitungen in den Arbeitsraum gemindert oder gar vollständig unterbunden werden können. Da solche Strömungsverluste und ein damit verbundenes Unterschreiten des Dampfdrucks im Arbeitsfluid die wesentlichen Ursachen für das Auftreten von Kavitation darstellen, lassen sich auf diese Weise auch unerwünschte Kavitationseffekte unterbinden. Im Ergebnis führt dies zu einer verbesserten Förderleistung und zu einer erhöhten Lebensdauer der Pumpvorrichtung.
Eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung umfasst einen von einem Pumpengehäuse teilweise begrenzten Arbeitsraum, der in bekannter Weise mit einem Arbeitsfluid - im Folgenden der Einfachkeit halber kurz als„Fluid" bezeichnet - befüllt werden kann. In dem das Arbeitsvolumen bildenden und mit einem Fluid befüllbaren Arbeitsraum ist ein Kolben zwischen einer ersten Position, in welcher der Arbeitsraum ein maximales Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in welcher dieses Volumen einen Minimalwert aufweist, entlang einer axialen Richtung verstellbar. Eine erste Fluidleitung dient zum Einleiten des Fluids in den Arbeitsraum. Erfindungsgemäß ist die erste Fluidleitung mittels eines Durchbruchs, der an einer dem Kolben gegenüberliegenden Stirnseite des Arbeitsraums im Pumpengehäuse ausgebildet ist, fluidisch mit dem Arbeitsraum verbunden. Im Bereich des Durchbruchs ist in der ersten Fluidleitung und/oder im Arbeitsraum ein erstes Ventilelement zum Verschließen der ersten Fluidleitung gegen den Arbeitsraum vorgesehen. Darüber hinaus mündet auch eine zweite Fluidleitung in den Arbeitsraum, über welche das Fluids wieder aus dem Arbeitsraum ausgeleitet werden kann, und zwar im Bereich der zweiten Position des Kolbens. Im Mündungsbereich der zweiten Fluidleitung in den Arbeitsraum ist ein zweites Ventilelement zum Verschließen des zweiten Fluidkanals gegen den Arbeitsraum vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die erste Fluidleitung wenigstens im Bereich des Durchbruchs quer zur axialen Richtung. Auf diese Weise kann der für die Pumpvorrichtung benötigte Bauraum gering gehalten werden.
Besonders bevorzugt kann die erste Fluidleitung als, insbesondere geschlossener, ringförmiger Fluidkanal ausgebildet sein. Auf diese Weise können unerwünschte, weil den Wirkungsgrad der Pumpvorrichtung mindernde Druckverluste klein gehalten werden.
Besonders wenig Bauraum erfordert eine Anordnung des ringförmigen Fluidkanals in der Pumpvorrichtung derart, dass sich die geschlossene Ringleitung in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung erstreckt.
Unnötige Totvolumina können auch vermieden werden, wenn das erste Ventilelement fluidisch direkt mit der ersten Fluidleitung kommuniziert. Der Ausbildung von den Wirkungsgrad der Pumpvorrichtung herabsetzenden Totvolumina kann bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entgegengewirkt werden, bei welcher das erste Ventilelement vollständig im Arbeitsraum angeordnet ist und über den Durchbruch direkt mit der ersten Fluidleitung fluidisch kommuniziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ragt das erste Ventilelement wenigstens teilweise in den Arbeitsraum hinein. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte, weil Kavitation begünstigende Strömungsverluste im Bereich des Ventilelements weiter verringern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Mündungsbereich der zweiten Fluidleitung in einem der ersten Fluidleitung zugewandten axialen Endabschnitt des Arbeitsraums vorgesehen. Dies bedeutet, dass die beiden Fluidlei- tungen benachbart zueinander in den Arbeitsraum der Pumpvorrichtung münden. Auf diese Weise lässt sich das Auftreten der Kavitation begünstigenden Strömungsverluste auf einen räumlich begrenzten Bereich des Arbeitsraums begrenzen.
Besonders bevorzugt kann, zur Vermeidung unerwünschter Totvolumina, das zweite Ventilelement direkt, insbesondere ohne Ausbildung eines Zwischenraums, fluidisch mit dem Arbeitsraum kommunizieren.
Konstruktiv besonders einfach aufgebaut und somit mit verringerten Herstellungskosten verbunden ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die zweite Fluidleitung in einer den Arbeitsraum begrenzenden Umfangsseite und/oder in einer den Arbeitsraum zur ersten Fluidleitung hin begrenzenden Stirnseite in den Arbeitsraum mündet. Auch eine Mündung der zweiten Fluidleitung in einem Übergangsbereich zwischen Umfangs- und Stirnseite ist möglich.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet das zweite Ventilelement einen Teil der umfangsseitigen und/oder stirnseitigen Begrenzung des Arbeitsraums. Experimentelle Versuche haben gezeigt, dass eine derartige Anordnung Kavitationseffekten besonders effektiv entgegenwirkt.
Besonders zweckmäßig kann das zweite Ventilelement im Wesentlichen bündig mit einer den Arbeitsraum zur ersten Fluidleitung hin begrenzenden Stirnseite abschließt. Eine unerwünschte, die Ausbildung von Kavitation begünstigende Ausnehmung kann auf diese Weise weitgehend oder gar vollständig vermieden werden.
Besonders zweckmäßig ist das erste Ventilelement ein zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verstellbares Rückschlag-Ventil, welches von der geschlossenen in die geöffnete Position verstellt wird, wenn der Fluiddruck in der ersten Fluidleitung größer ist als im Arbeitsraum und die Druckdifferenz einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Die Verwendung eines solchen, konstruktiv einfach aufgebauten Rückschlag-Ventils führt dazu, dass Strömungsverluste im Bereich des Ventilelements weiter verringert werden können.
Analog dazu kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch das zweite Ventilelement ein zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verstellbares Rückschlag-Ventil sein. Das zweite Rückschlag-Ventil ist dabei derart eingerichtet, dass es von der geschlossenen in die geöffnete Position verstellt wird, wenn der Fluiddruck im Arbeitsraum größer ist als in der zweite Fluidleitung und die Druckdifferenz einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Entsprechend kann das zweite Rückschlag-Ventil wieder in die geschlossene Position zu- rück verstellt werden, wenn die Druckdifferenz wieder unter besagten Schwellwert fällt.
Experimentelle Untersuchungen und theoretische Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass ein bzgl. unerwünschter Kavitationsbildung besonders günstiges Strömungsbild im Arbeitsvolumen erzeugt werden kann, wenn die zweite Fluidleitung relativ zur axialen Richtung schräg in den Arbeitsraum mündet.
Gleiches gilt für eine Anordnung der ersten Fluidleitung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform derart, dass die erste Fluidleitung den Arbeitsraum entlang der axialen Richtung verlängert.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann eine Mündungsöffnung der zweiten Fluidleitung in den Arbeitsraum hinein bezüglich seiner axialen Position derart angeordnet sein, das der Kolben diese in seiner zweiten Position gerade nicht verschließt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ragt das erste Ventilelement derart in den Arbeitsraum hinein, dass das verbleibende Volumen zwischen dem Kolben in seiner zweiten Position und dem ersten Ventilelement einen Minimalwert annimmt. Auch diese Maßnahme wirkt unerwünschten Strömungs- und Kompressionsverlusten des Fluids im Arbeitsvolumen entgegen.
Um das Einleiten von Fluid in den Arbeitsraum und die damit verbundene translatorische Bewegung von der Mündung der ersten Fluidleitung weg zu unterstützen, kann im Arbeitsraum ein federelastisches Element vorgesehen sein. Hierzu stützt sich das federelastische Element einenends am ersten Ventilelement und ande- renends am Kolben ab und spannt somit den Kolben zur ersten Position hin vor. Überschreitet die in einer bestimmte Anwendung gewünschte Förderleistung die von der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung tatsächlich erbringbare Förderleistung, so bietet es sich an, zur Steigerung der Förderleistung mehrere erfindungsgemäße Pumpvorrichtung miteinander in Wirkverbindung zu setzten und diese fluidisch parallel zu schalten.
Die Erfindung betrifft daher auch eine Pump-Anordnung mit drei vorangehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Pumpvorrichtungen, deren Arbeitsräume mit den Durchbrüchen zwischen Arbeitsraum und erster Fluidleitung jeweils bezüglich der axialen Richtung parallel zueinander angeordnet sind. Die Anordnung der drei Arbeitsräume mit den Durchbrüchen zwischen der ersten Fluidleitung und dem Arbeitsraum weist dabei in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung bezüglich eines vordefinierten Symmetriepunkts eine 120°-Drehsymmetrie auf. Erfindungsgemäß sind die drei ersten Fluidleitungen als gemeinsamer ringförmiger Fluidkanal mit dem bereits genannten Symmetriepunkt als Ringmittelpunkt des ringförmigen Fluidkanals ausgebildet. Auf diese Weise kann der für die drei Pumpvorrichtungen benötigte Bauraum gering gehalten. Der symmetrische Aufbau der drei Pumpvorrichtungen führt darüber hinaus dazu, dass auch bei dem fluidischen Zusammenschalten dreier Pumpvorrichtungen das Auftreten unerwünschter Kavitation weitgehend oder gar vollständig vermieden werden kann.
Die Erfindung betrifft schließlich eine Abwärmenutzungseinrichtung, die einen von einem Arbeitsmedium - einem Fluid - durchströmten oder durchströmbaren Fluid- kreislauf umfasst. In dem Fluidkreislauf ist zum Antreiben des Arbeitsmediums eine oben vorgestellte, erfindungsgemäße Pumpvorrichtung oder eine vorangehend vorgestellte, erfindungsgemäße Pump-Anordnung mit drei Pumpvorrichtungen angeordnet. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend 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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Pump-Anordnung,
Fig. 2 eine Detaildarstellung der Figur 1 , in welcher der Aufbau einer Pumpvorrichtung 1 der Pumpanordnung näher dargestellt ist,
Fig. 3 eine Detaildarstellung der Pumpvorrichtung der Figur 2 im Bereich eines
Arbeitsraums 3 der Pumpvorrichtung 1 ,
Fig. 4 eine den tripod-artigen Aufbau der drei Pumpvorrichtungen der Figur 1 in schematischer Form illustrierende, skizzenhafte Darstellung. Die Figur 1 illustriert in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel einer er- findungsgemäßen Pump-Anordnung 20. Die Figur 2 zeigt eine Detaildarstellung der Figur 1 , in welcher der Aufbau einer Pumpvorrichtung 1 der Pumpanordnung 20 näher dargestellt ist. Die Figur 3 zeigt wiederum eine Detaildarstellung der Figur 2 im Bereich eines Arbeitsraums 3 der Pumpvorrichtung 1 .
Die Pump-Anordnung 20 umfasst drei jeweils als Hub- oder Axialkolbenpumpe ausgebildete Pumpvorrichtungen 1 , die zur Ausbildung der Pump-Anordnung 20 in Form einer Tripod-Anordnung realisiert sind. Dies bedeutet, dass die jeweiligen Kolben 2 der drei Pumpvorrichtungen 1 sowie die den jeweiligen Kolben 2 beherbergenden Arbeitsräume 3, die jeweils von einem Pumpengehäuse 4 begrenzt werden, bezüglich ihrer axialen Achse parallel zueinander angeordnet sind. In jedem der drei Arbeitsräume 3 ist ein entlang einer axialen Richtung A verstellbarer Kolben 2 angeordnet. Jeder der drei Kolben 2 ist zwischen einer ersten Position, in welcher der Arbeitsraum 3 ein maximales Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in welcher der Arbeitsraum 3 ein minimales Volumen aufweist, axial verstellbar. Zum Verstellen der drei Kolben 3 dient ein gemeinsamer Elektromotor 22, der in einem das Pumpengehäuse 4 entgegen der axialen Richtung A verlängernden Motorgehäuse 21 angeordnet ist. Die Steuerung des Elektromotors 22 kann mit Hilfe einer elektrischen/elektronischen Steuerungseinheit 25 erfolgen, die auf einer axial vom Pumpengehäuse 4 abgewandten Seite des Motorgehäuses 22 an diesem befestigt ist.
Im Folgenden wird anhand der Darstellung der Figur 2 der Aufbau einer der drei Pumpvorrichtungen 1 detailliert erläutert:
Das Pumpengehäuse 4 begrenzt zusammen mit dem Kolben 2 den Arbeitsraum 3, der mit einem Fluid - dem Arbeitsmedium der Pumpvorrichtung 1 - befüllbar ist. Hierzu besitzt die Pumpvorrichtung 1 eine erste Fluidleitung 5, welche mittels ei- nes Durchbruchs 9 fluidisch mit dem Arbeitsraum 3 verbunden ist. Der Durchbruch 9 ist an einer an einer dem Kolben 2 gegenüberliegenden Stirnseite 7 des Arbeitsraums 3 im Pumpengehäuse 4 ausgebildet. Die erste Fluidleitung 5 verläuft im Bereich des Durchbruchs 9 quer zur axialen Richtung A. Dabei erstreckt sich die erste Fluidleitung 5 im Bereich des Durchbruchs 9 in besagter Ebene senkrecht zur axialen Richtung A.
Im Beispiel der Figuren ist die erste Fluidleitung 5 als geschlossener ringförmiger Fluidkanal 23 ausgebildet, der sich vollständig in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung A erstreckt. Folglich ist die erste Fluidleitung 5 im Bereich des Durchbruchs 9 gekrümmt ausgebildet.
Im Bereich des Durchbruchs 9 ist im Arbeitsraum 3 ein erstes Ventilelement 10 zum Verschließen der ersten Fluidleitung 5 vorgesehen. In einer Variante kann das erste Ventilelement 10 im Bereich des Durchbruchs 9 auch auf Seite der ersten Fluidleitung 5 angeordnet sein. Das erste Ventilelement 10 kann in einer Variante auch ausgehend von der ersten Fluidleitung 5 durch den Durchbruch 9 hindurch in den Arbeitsraum 3 hineinragen, und zwar vorzugsweise derart, dass das Totvolumen des Arbeitsraumes 3 minimal wird oder sogar einen Nullwert annimmt. Unnötige Totvolumina können auch vermieden werden, wenn das erste Ventilelement 10 fluidisch direkt mit der ersten Fluidleitung 5 kommuniziert, d.h. zwischen der ersten Fluidleitung 5 und dem ersten Ventilelement 10 ist kein Zwischenraum ausgebildet.
Der Ausbildung von unerwünschten Totvolumina kann auch bei der in den Figuren gezeigten Variante entgegengewirkt werden, bei welcher das erste Ventilelement 10 vollständig im Arbeitsraum 3 angeordnet ist und über den Durchbruch 9 direkt, also ohne Ausbildung eines Zwischenraums, mit der ersten Fluidleitung 5 fluidisch kommuniziert. Inn Beispiel der Figuren ist das erste Ventilelement 10 ein zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verstellbares Rückschlag-Ventil 1 1 . In der geschlossenen Position verschließt das erste Ventilelement 10 die erste Fluidleitung 5 gegen den Arbeitsraum 3 fluiddicht. In der geöffneten Position gibt das erste Ventilelement 10 die Fluidverbindung zwischen erster Fluidleitung 5 und dem Arbeitsraum 3 frei, so dass das Fluid von der ersten Fluidleitung 5 in den Arbeitsraum 3 eingeleitet werden kann. Das Rückschlag-Ventil 1 1 wird von seiner geschlossenen Position in seine geöffnete Position verstellt, wenn der Fluiddruck in der ersten Fluidleitung 5 größer ist als im Arbeitsraum 3 und die Druckdifferenz einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Dies geschieht durch eine Axialbewegung des Kolbens 2 vom Durchbruch 9 weg.
Entsprechend der Figur 2 umfasst die Pumpvorrichtung 1 auch eine Fluid- Zuführungsleitung 24 zum Einleiten des Fluids in die erste Fluidleitung 5. Gemäß Figur 2 verlängert die erste Fluidleitung 5 den Arbeitsraum 3 entlang der axialen Richtung A. Die Fluid-Zuführungsleitung 24 mündet tangential in die als ringförmiger Fluidkanal 23 ausgebildete erste Fluidleitung 5. Alternativ oder zusätzlich kann die Fluid-Zuführungsleitung 24 auch schräg in die erste Fluidleitung 5 münden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass in einem Längsschnitt der Pumpvorrichtung 1 entlang der axialen Richtung A die Fluid-Zuführungsleitung 24 einen spitzen Winkel mit der Ebene senkrecht zur axialen Richtung A ausbildet, in welcher der ringförmige Fluidkanal 23 angeordnet ist.
Zum Ausleiten des Fluids aus dem Arbeitsraum 3 ist eine zweite Fluidleitung 6 vorgesehen, die im Bereich der zweiten Position des Kolbens 2 - diese Position ist in Figur 2 und auch in der Detaildarstellung der Figur 3 gezeigt - in den Arbeitsraum 3 mündet. Der Mündungsbereich 12 der zweiten Fluidleitung 6 ist also - ebenso wie die stirnseitig eingeleitete erste Fluidleitung 5 - in einem der ersten Fluidleitung 5 zugewandten axialen Endabschnitt 14 des Arbeitsraums 3 angeordnet. Die zweite Fluidleitung 6 mündet in einem Übergangsbereich zwischen einer den Arbeitsraum 3 begrenzenden Umfangswand 15 des Pumpengehäuses 4 und einer das Pumpengehäuse 4 zur ersten Fluidleitung 5 hin begrenzenden Stirnwand in den Arbeitsraum 3. Die zweite Fluidleitung 6 mündet relativ zur axialen Richtung A schräg in den Arbeitsraum 3. Eine Mündungsöffnung 16 der zweiten Fluidleitung 6 ist bezüglich seiner axialen Position derart angeordnet, dass der Kolben 2 die Mündungsöffnung 16 in seiner zweiten Position gerade nicht verschließt.
Entsprechend zum Durchbruch 9 der ersten Fluidleitung 5 ist auch im Mündungsbereich 12 der zweiten Fluidleitung 6 in den Arbeitsraum 3 hinein ein zweites Ventilelement 13 zum wahlweisen fluiddichten Verschließen der zweiten Fluidleitung 6 gegenüber dem Arbeitsraum vorgesehen. Auch das zweite Ventilelement 13 ist, ebenso wie das erste Ventilelement 10, als Rückschlagventil 17 realisiert. Im Gegensatz zum ersten Ventilelement 10 wird es jedoch von der geschlossenen in die geöffnete Position verstellt, wenn der Fluiddruck im Arbeitsraum 3 größer ist als in der zweiten Fluidleitung und die Druckdifferenz einen vorbestimmten
Schwellwert überschreitet. Dies geschieht, wenn der Kolben entlang der axialen Richtung A zum Durchbruch 9 hinbewegt wird.
Im Beispiel der Figuren bildet das zweite Ventilelement 13, welches im Übergangsbereich zwischen umfangs- und stirnseitiger Begrenzung des Arbeitsraums 3 angeordnet ist, einen Teil der umfangs- bzw. stirnseitigen Begrenzung des Arbeitsraums 3. Im Idealfall schließt das zweite Ventilelement 13 im Wesentlichen bündig mit der den Arbeitsraum 3 zur ersten Fluidleitung 5 hin begrenzenden Stirnseite und/oder Umfangsseite ab. Eine unerwünschte, die Ausbildung von Kavitation begünstigende Ausnehmung kann auf diese Weise weitgehend oder gar vollständig vermieden werden. Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, kann im Arbeitsraum 3 ein federelastisches Element 19 vorgesehen sein. Dieses stützt sich entsprechend Figur 3, welches sich einendends am ersten Ventilelement 10 und anderenends am Kolben 2 ab und spannt den Kolben 2 somit zur ersten Position hin vor.
Abschließend wird anhand der Figur 4 die bereits eingangs erwähnte, tripod- artige Anordnung der Pumpen-Anordnung 20 erläutert. Die Figur 4 zeigt hierzu den Aufbau der Figur 2 in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A in einer grobschematischen Darstellung. Die drei Arbeitsräume 3 der drei Pumpvorrichtungen 1 - in Figur 4 durch gestrichelte Linien angedeutet - sind entlang der axialen Richtung A parallel zueinander angeordnet. Wie Figur 4 anschaulich belegt, weist die Anordnung der drei Arbeitsräume 3 im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A bezüglich eines vordefinierten Symmetriepunkts S eine 120°- Drehsymmetrie auf. Dabei sind die drei ersten Fluidleitungen 5 als gemeinsamer ringförmiger Fluidkanal 23 mit dem Symmetriepunkt S als Ringmittelpunkt M ausgebildet. Der Fluidkanal 23kann in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung A angeordnet sein.
Auf diese Weise kann die Ausbildung der ersten Fluidleitung 5 als ringförmiger Fluidkanal 23 dazu genutzt werden, die Arbeitsräume 3 aller drei Pumpvorrichtungen 1 auf die oben beschriebene Weise mit dem Arbeitsmedium zu versorgen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Ausbildung unerwünschter Kavitation sowohl im Fluidkanal 23 als auch in den drei Arbeitsräumen 3 weitgehend oder sogar vollständig unterbunden werden kann.
Die drei zweiten Fluidleitungen 6 münden entsprechend der Figur 2 in eine gemeinsame Fluid-Abführungsleitung 8.
*****

Claims

Ansprüche
Pumpvorrichtung (1 ), insbesondere Axialkolbenpumpe, für eine Abwärmenut- zungseinrichtung,
mit einem von einem Pumpengehäuse (4) teilweise begrenzten und mit einem Fluid befüllbaren Arbeitsraum (3), in welchem ein Kolben (2) zwischen einer ersten Position, in welcher der Arbeitsraum (3) ein maximales Volumen aufweist, und einer zweiten Position, in welcher der Arbeitsraum (3) einen Minimalwert aufweist, entlang einer axialen Richtung (A) verstellbar angeordnet ist,
mit einer ersten Fluidleitung (5) zum Einleiten des Fluids in den Arbeitsraum (3),
mit einer zweiten Fluidleitung (6) zum Ausleiten des Fluids aus dem Arbeitsraum (3), die im Bereich der zweiten Position des Kolbens (2) in den Arbeitsraum (3) mündet,
wobei die erste Fluidleitung (5) mittels eines Durchbruchs (9), der an einer an einer dem Kolben (2) gegenüberliegenden Stirnseite (7) des Arbeitsraums (3) im Pumpengehäuse (4) ausgebildet ist, fluidisch mit dem Arbeitsraum (3) verbunden ist,
wobei im Bereich des Durchbruchs (9) in der ersten Fluidleitung (5) und/oder im Arbeitsraum (3) ein erstes Ventilelement (10) zum fluiddichten Verschließen der ersten Fluidleitung (5) gegen den Arbeitsraum (3) vorgesehen ist, wobei in einem Mündungsbereich (12) der zweiten Fluidleitung (6) in den Arbeitsraum (3) ein zweites Ventilelement (13) zum fluiddichten Verschließen der zweiten Fluidleitung (6) gegen den Arbeitsraum (3) vorgesehen ist.
2. Pumpvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Fluidleitung (5) wenigstens im Bereich des Durchbruchs (9) quer zur axialen Richtung (A) verläuft.
3. Pumpvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Fluidleitung (5) als, insbesondere geschlossener, ringforimger Fluid- kanal (23) ausgebildet ist,
4. Pumpvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich der ringförmige Fluidkanal (23) in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung (A) erstreckt.
5. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Ventilelement fluidisch direkt mit der ersten Fluidleitung (5) kommuniziert.
6. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Ventilelement (10) vollständig im Arbeitsraum (3) angeordnet ist und über den Durchbruch (9) direkt mit der ersten Fluidleitung (5) fluidisch kommuniziert.
7. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelennent (10) wenigstens teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig, in den Arbeitsraum (3) hineinragt.
8. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Mündungsbereich (16) der zweiten Fluidleitung (6) in einem der ersten Fluidleitung (5) zugewandten axialen Endabschnitt (14) des Arbeitsraums (3) vorgesehen ist.
9. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zweite Ventilelement (13) direkt, insbesondere ohne Ausbildung eines Zwischenraums, fluidisch mit dem Arbeitsraum (3) kommuniziert.
10. Pumpvorrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Fluidleitung (6) in einer den Arbeitsraum (3) umfangsbegrenzenden Umfangswand (15) und/oder in einer den Arbeitsraum (3) zur ersten Fluidleitung (5) hin begrenzenden Stirnseite in den Arbeitsraum (3) mündet.
1 1 . Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Ventilelement (13) einen Teil der umfangsseitigen und/oder stirnseitigen Begrenzung des Arbeitsraums (3) bildet.
12. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Ventilelement (13) im Wesentlichen bündig mit einer den Arbeitsraum (3) zur ersten Fluidleitung (5) hin begrenzenden Stirnseite abschließt.
13. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Ventilelement (10) ein zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verstellbares Rückschlag-Ventil (1 1 ) ist, welches von der geschlossenen in die geöffnete Position verstellt wird, wenn der Fluid- druck in der ersten Fluidleitung (5) größer ist als im Arbeitsraum (3) und die Druckdifferenz einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
14. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Ventilelement (13) ein zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verstellbares Rückschlag-Ventil (17) ist, welches von der geschlossenen in die geöffnete Position verstellt wird, wenn der Fluid- druck im Arbeitsraum (3) größer ist als in der zweiten Fluidleitung (6) und die Druckdifferenz einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
15. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Fluidleitung (6) relativ zur axialen Richtung (A) schräg in den Arbeitsraum (3) mündet.
16. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mündungsöffnung (16) der zweiten Fluidleitung (6) bezüglich seiner axialen Position derart angeordnet ist, das der Kolben (3) diese in seiner zweiten Position gerade nicht verschließt.
17. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Ventilelement (10) derart in den Arbeitsraum (3) hineinragt oder in diesem angeordnet ist, dass das verbleibende Volumen zwischen dem Kolben (3) in seiner zweiten Position und dem ersten Ventilelement (10) einen Minimalwert annimmt.
18. Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Arbeitsraum (3) ein federelastisches Element (18) vorgesehen ist, welches sich einendends am ersten Ventilelement (10) und anderenends am Kolben abstützt (2) und den Kolben (2) zur ersten Position hin vorspannt.
19. Pump-Anordnung (20),
mit drei Pumpvorrichtungen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Arbeitsräume (3) mit den Durchbrüchen (9) bezüglich der axialen Richtung (A) parallel zueinander angeordnet sind,
wobei die Anordnung der drei Arbeitsräume (3) mit den Durchbrüchen (9) in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung (A) bezüglich eines vordefinierten Symmetriepunkts (S) eine 120°-Drehsymmethe aufweist,
wobei die drei ersten Fluidleitungen (5) als gemeinsamer ringförmiger Fluid- kanal (23) mit dem Symmetriepunkt (S) als Ringmittelpunkt (M) ausgebildet sind.
20. Abwärmenutzungseinrichtung,
mit einem von einem Fluid durchströmten oder durchströmbaren Fluidkreis- lauf, in welchem zum Antreiben des Arbeitsmediums eine Pumpvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 oder eine Pump-Anordnung (20) nach Anspruch 19 angeordnet ist.
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