Titel

Außenzahnradmaschine, Abgaswärmerückgewinnungssystem mit einer Außenzahnradmaschine

Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradmaschine, insbesondere einen Außenzahn- radmotor oder eine Außenzahnradpumpe, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die vorgeschlagene Außenzahnradmaschine ist insbesondere zum Fördern eines niedrigviskosen Mediums, wie beispielsweise Ethanol, Cyclopentan und/oder eines Kältemittels geeignet. Derartige Medien werden häufig als Arbeitsmedium in einem Abgaswärmerückgewinnungssystem (Waste-Heat-Recovery-System, WHRS) eingesetzt. Die Erfindung betrifft daher ferner ein Abgaswärmerückgewinnungssystem mit einer er- findungsgemäßen Außenzahnradmaschine.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 216 254 AI geht beispielhaft eine Außen- zahnradmaschine mit wenigstens zwei Zahnrädern hervor, die im Außeneingriff miteinander kämmen. Das eine Zahnrad ist mit einem Wellenzapfen und das andere Zahnrad ist mit einer An- oder Abtriebswelle verbunden, wobei der Wellenzapfen und die Welle jeweils in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert sind. Die Lagerbuchsen sind zu einer Lagerbrille verbunden, die gemeinsam mit den Zahnrädern in einer Aufnahmeausnehmung eines Gehäuses aufgenommen ist. Um einer im Bereich eines radialen Dichtspalts zwischen dem Gehäuse und der Lagerbrille auftretende Leckage gering zu halten, weisen die Aufnahmeausnehmung des Gehäuses und die Lagerbrille einander angepasste Konturen auf. Toleranzbedingt verbleibt jedoch ein gewisses Spiel, das leckagebehaftet ist und somit zu einer Verringerung des volumetri- sehen Wirkungsgrads der Außenzahnradmaschine beiträgt. Um dem entgegenzuwirken, wird in der DE 10 2012 216 254 AI eine Lagerbrille aus einem Werkstoff vorgeschlagen, der gegenüber dem Werkstoff des Gehäuses einen größeren Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Bei Erwärmung dehnt sich somit die Lagerbrille stärker aus als das Gehäuse, was im Betrieb der Außenzahnradmaschine dazu führt, dass das toleranzbedingte Spiel zwischen der Lagerbrille und dem Gehäuse minimiert bzw. vollständig aufgebraucht wird. Darüber hinaus wird in der DE 10 2012 216 254 AI vorgeschlagen, dass die Lagerbrille schlitzartige Ausnehmungen aufweist, die sich von der Mantelfläche der Lagerbrille jeweils in Richtung einer Lagerbohrung erstrecken und ganz oder teilweise axial durchgehend ausgebildet sind. Bei weiter steigenden Temperaturen ermöglichen die schlitzartigen Ausnehmungen eine elastische Verformung der Lagerbuchsen in Umfangsrichtung, so dass mit zunehmender Ausdehnung der Lagerbrille die Breite der schlitzartigen Ausnehmungen abnimmt. Auf diese Weise soll auch bei erhöhter Temperatur ein bestmöglicher volumetrischer Wirkungsgrad erzielbar sein.

In der Ebene der Zahnräder wird üblicherweise eine radiale Abdichtung über einen sogenannten Einlaufprozess erreicht. Beim Einlaufen wird die Außenzahnradmaschine im gesamten Drehzahlband bis zum maximalen Betriebsdruck belastet, was zur Folge hat, dass sich das Triebwerk in Richtung einer Saug- bzw. Niederdruckseite verlagert und sich die Zähne der Zahnräder spanabhebend in das Gehäuse eingraben. Auf diese Weise wird ein radialer Spalt zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse auf ein Minimum reduziert. Dieses Minimum wird jedoch nur bei maximalem Betriebsdruck erreicht. Im Teildruckbereich sind dagegen die Mengenverluste aufgrund von Leckage besonders hoch, da der Druck linear und die Spalthöhe in dritter Potenz auf die Leckagemenge wirken. Dies führt zu einem durchhängenden Kennlinienverlauf, der sogenannten„Badewannencharakteristik".

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Außenzahnradmaschine, insbesondere einen Außenzahnradmotor oder eine Außenzahnradpumpe, anzugeben, die auch in einem Teildruckbereich einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Außenzahnradmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Abgaswärmerückgewinnungssystem mit einer erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine vorgeschlagen, da hierin eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine gesehen wird.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Außenzahnradmaschine, wobei es sich insbesondere um einen Außenzahnradmotor oder eine Außenzahnradpumpe handeln kann, umfasst ein erstes und ein zweites Zahnrad, die im Außeneingriff miteinander kämmen und von einem Gehäuse umgeben sind. Das die Zahnräder umgebende Gehäuse weist eine an die Außenkontur der Zahnräder angepasste Innenkontur auf. Zudem definiert es eine Hochdruckseite sowie eine Niederdruckseite. Erfindungsgemäß ist niederdruckseitig im Gehäuse mindestens ein mit Druck beaufschlagbarer Hohlraum ausgebildet, der von einem die Zahnräder aufnehmenden Innenraum des Gehäuses durch eine Gehäusewand getrennt ist, die zumindest bereichsweise elastisch verformbar ist.

Durch eine elastische Verformung der Gehäusewand kann die Innenkontur des Gehäuses derart verändert werden, dass die Zahnräder stets in dichtendem Kontakt mit dem Gehäuse stehen. Die elastische Verformung wird dabei über eine Druckbeaufschlagung des mindestens einen Hohlraums im Gehäuse erreicht. Denn wird der Hohlraum mit Druck beaufschlagt bzw. der Druck im Hohlraum angehoben, dehnt sich die Gehäusewand in Richtung des Innenraums des Gehäuses und damit in Richtung der im Innenraum aufgenommenen Zahnräder aus. Der mindestens eine mit Druck beaufschlagbare Hohlraum bildet demnach eine Art Druckpolster aus, das variabel ist, um den Radialspalt zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse stets auf ein Minimum zu reduzieren. Auf diese Weise wird eine optimale Abdichtung im Bereich der radialen Dichtstelle in Zahnradebene erreicht.

Die Abdichtung wird zudem gänzlich einlauffrei realisiert. Das heißt, dass der Inbetriebnahme der Außenzahnradmaschine keine Einlaufphase und auch keine an die Einlaufphase anschließende Reinigung zur Beseitigung der beim Einlaufen anfallenden Späne mehr vorausgehen muss. Dadurch können die maßgeblichen Prozesszeiten in der Fertigung deutlich gesenkt werden. Weiterhin sinkt das Risiko einer Systemverschmutzung, was insbesondere bei einem geschlossenen System von Bedeutung ist. Bevorzugt wird der mindestens eine niederdruckseitig im Gehäuse ausgebildete Hohlraum mit Betriebsdruck beaufschlagt. Auf diese Weise kann die zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite herrschende Druckdifferenz zum Schließen des Radialspalts zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse genutzt werden. Ferner ist sichergestellt, dass bei jedem beliebigen Betriebsdruck der Radialspalt zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse so gut wie möglich geschlossen ist. Zusätzlich wird den Radialspalt öffnenden Kräften entgegengewirkt, wenn das die Verformung der Gehäusewand bewirkende Druckpolster direkt vom Betriebsdruck abhängt.

Über das mindestens eine variable Druckpolster wird somit auch in einem Teildruckbereich der Außenzahnradmaschine ein minimaler Radialspalt zwischen den Zahnrädern und dem Gehäuse erreicht, so dass der volumetrische Wirkungsgrad der Außenzahnradmaschine weiter maximiert wird.

Zur Ausbildung des mindestens einen als Druckpolster dienenden Hohlraums kann das Gehäuse in einem Fertigungsverfahren, wie beispielsweise 3D-Druck, Electro-Beam- Melting (EBM), Laser-Sintern oder in einem Gießverfahren mit verlorenen Kernen hergestellt werden. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt ist und ein die Innenkontur bestimmendes erstes Gehäuseteil sowie ein das erste Gehäuseteil umgebendes zweites Gehäuseteil umfasst. Durch die mehrteilige Ausführung des Gehäuses kann die Fertigung vereinfacht werden. Ferner können unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden, so dass der Werkstoff an die jeweilige Funktion eines Gehäuseteils optimal anpassbar ist. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das erste Gehäuseteil aus Kunststoff und/oder das zweite Gehäuseteil aus Metall gefertigt ist. Die Verwendung von Kunststoff für das die Innenkontur des Gehäuses bestimmende erste Gehäuseteil erleichtert die Realisierung einer zumindest bereichsweise elastisch verformbaren Gehäusewand. Wird das zweite Gehäuseteil des Gehäuses aus Metall gefertigt, kann auf diese Weise die Robustheit der Außenzahnradmaschine gesteigert werden.

Des Weiteren bevorzugt ist der mindestens eine Hohlraum über mindestens einen Kanal mit der Hochdruckseite der Außenzahnradmaschine verbunden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass im Hohlraum stets Betriebsdruck herrscht. Ferner bevorzugt ist der mindestens eine Hohlraum in der Ebene der Zahnräder ausgebildet und erstreckt sich über die gesamte Breite der Zahnräder. Das heißt, dass der mindestens eine druckbeaufschlagte Hohlraum ein Druckpolster ausbildet, das die Zahnräder über ihre gesamte Breite stützt. Dadurch ist sichergestellt, dass eine radiale Abdichtung über die gesamte Breite der Zahnräder erreicht wird, so dass ein Umströmen der Zahnköpfe der Zahnräder verhindert wird.

Die Anordnung des mindestens einen Hohlraums erfolgt niederdruckseitig im Bereich der ursprüngliche Einlaufzone, das heißt im Kontaktbereich der Zahnräder mit dem Gehäuse, wenn diese aufgrund des hochdruckseitig anstehenden Betriebsdrucks in Richtung der Niederdruckseite verlagert werden. Entsprechend der ursprünglichen Einlaufzone erstreckt sich auch der mindestens eine Hohlraum in Umfangsrichtung über einen gewissen Winkelbereich, der vorzugsweise 20° bis 90°, weiterhin vorzugsweise 30° bis 60° beträgt.

Hieraus folgt, dass der mindestens eine Hohlraum im Querschnitt bevorzugt sichelförmig ausgebildet ist. Durch die Sichelform schmiegt sich der Hohlraum an die Innenkontur des Gehäuses an, so dass dieser vom Innenraum nur durch eine vergleichsweise dünne Gehäusewand getrennt ist. Dadurch ist die elastische Verformbarkeit der Gehäusewand gewährleistet. Vorzugsweise sind niederdruckseitig zwei sichelförmige Hohlräume in gespiegelter Anordnung vorgesehen, so dass jedem Zahnrad ein Druckpolster zugeordnet ist.

Ferner wird vorgeschlagen, dass im Gehäuse mindestens ein Lagerkörper mit mindestens einer Lagerbohrung zur drehbaren Lagerung einer mit dem ersten Zahnrad verbundenen Welle und/oder eines mit dem zweiten Zahnrad verbundenen Wellenzapfens aufgenommen ist. Der Lagerkörper kann beispielsweise als Lagerbrille ausgeführt sein, wobei die Lagerbrille eine an die Innenkontur des Gehäuses angepasste Außenkontur besitzt. In der Ebene der Lagerbrille wird dann eine radiale Abdichtung über einen Kontakt der Lagerbrille mit dem Gehäuse dadurch erreicht, dass die Lagerbrille im Betrieb der Außenzahnradmaschine in Richtung der Niederdruckseite verlagert wird. Eines druckbeaufschlagbaren Hohlraums zur Ausbildung eines variablen Druckpolsters bedarf es demnach in der Ebene des Lagerkörpers nicht, so dass die Ausbildung des mindestens einen Hohlraums auf die Ebene der Zahnräder beschränkt werden kann. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Lagerkörper eine stirnseitige Ausneh- mung zur Aufnahme eines Dichtelements aufweist. Über das stirnseitig angeordnete Dichtelement ist zusätzlich eine Abdichtung in axialer Richtung erreichbar. Vorzugsweise ist das Dichtelement in einer Stirnfläche des Lagerkörpers angeordnet, die den Zahnrädern abgewandt ist, so dass das Dichtelement zwischen dem Lagerkörper und dem Gehäuse bzw. einem mit dem Gehäuse verbundenen Deckelteil zu liegen kommt. Das Dichtelement dient in diesem Fall als Axialfelddichtung.

Weiterhin bevorzugt weist das Gehäuse mindestens eine ebene Anschlagfläche auf, an der ein Deckelteil abgestützt ist. Das Deckelteil schließt den Innenraum des Gehäuses nach außen ab. Vorzugsweise ist das Deckelteil mit dem Gehäuse verschraubt, wobei weiterhin vorzugsweise zwischen dem Gehäuse und dem Deckelteil ein Dichtelement eingelegt ist, das eine zusätzliche Abdichtung des Innenraums nach außen bewirkt.

Vorteilhafterweise ist beidseits der Zahnräder mindestens ein Lagerkörper zur drehbaren Lagerung der Welle und/oder des Wellenzapfens angeordnet, wobei vorzugsweise die Ausführung der Lagerkörper gespiegelt wird. Über die beidseits der Zahnräder an- geordneten Lagerkörper wird die innere Dichtheit der Außenzahnradmaschine weiter erhöht, so dass die Außenzahnradmaschine einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad aufweist.

Das darüber hinaus vorgeschlagene Abgaswärmerückgewinnungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass es eine erfindungsgemäße Außenzahnradmaschine zum Fördern eines niedrigviskosen Arbeitsmediums, wie beispielsweise Ethanol, Cyclopentan und/oder eines Kältemittels, umfasst. Da die Viskosität des Arbeitsmediums sich direkt auf die innere Leckage der Außenzahnradmaschine auswirkt, und zwar in der Weise, dass mit sinkender Viskosität des Arbeitsmediums die Leckagemenge proportional steigt, kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine in der vorgeschlagenen Anwendung besonders gut zum Tragen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschreiben. Diese zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Außenzahnradmaschine mit abgenommenem Deckelteil und Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der Außenzahnradmaschine der Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 beispielhaft dargestellte Außenzahnradmaschine umfasst ein erstes und ein zweites Zahnrad 1, 2, die im Außeneingriff miteinander kämmen. In der Fig. 1 ist jeweils nur ein Zahn eines Zahnrads 1, 2 zu sehen, da die Zahnräder 1, 2 von einem Lagerkörper 11 überdeckt werden. Der Lagerkörper 11 weist Lagerbohrungen 12 zur drehbeweglichen Lagerung einer Welle 13 und eines Wellenzapfens 14 auf, auf denen die Zahnräder 1, 2 angeordnet sind. Die Zahnräder 1, 2 und der Lagerkörper 11 sind in einem Innenraum 8 eines Gehäuses 3 aufgenommen, der eine an die Zahnräder 1, 2 und an den Lagerkörper 11 angepasste Innenkontur 4 besitzt.

Die Innenkontur 4 des Gehäuses 3 wird durch ein erstes Gehäuseteil 3.1 gebildet, das vorliegend aus Kunststoff gefertigt ist und von einem zweiten Gehäuseteil 3.2 aus Me- tall umgeben ist. Das die Innenkontur 4 ausbildende erste Gehäuseteil 3.1 weist eine

Hochdruckseite 5 und eine Niederdruckseite 6 auf. Die Hochdruckseite 5 ist mit einem Hochdruckanschluss 20 verbunden. Niederdruckseitig weist das erste Gehäuseteil 3.1 Hohlräume 7 auf (siehe gestrichelte Linien), die vom Innenraum 8 nur durch eine Gehäusewand 9 des ersten Gehäuseteils 3.1 getrennt und über Kanäle 10 an die Hoch- druckseite 5 angebunden sind, so dass in den Hohlräumen 7 der gleiche Druck wie auf der Hochdruckseite herrscht. Das heißt, dass die Hohlräume 7 im Betrieb der Außenzahnradmaschine jeweils mit Betriebsdruck beaufschlagt werden. Dadurch bilden sich Druckpolster aus, die gegen die Gehäusewand 9 drücken, so dass sich diese in den Innenraum 8 hinein verformt. Dabei wird ein zwischen den Zahnrädern 1, 2 und dem Gehäuse 3 bestehender Radialspalt geschlossen, so dass die Zahnräder 1, 2 in dichtendem Kontakt mit dem Gehäuse 3 gelangen. Auf diese Weise wird eine radiale Abdichtung in der Ebene der Zahnräder 1, 2 selbst dann erreicht, wenn der Betriebsdruck nicht maximal ist. Zur Abdichtung in axialer Richtung weist der Lagerkörper 11 eine Ausnehmung 15 auf, in der ein Dichtelement 16 eingesetzt ist. Ein weiteres Dichtele- ment 19 liegt auf einer Anschlagfläche 17 des Gehäuses 3 bzw. des ersten Gehäuseteils 3.1 auf, so dass mit Auflegen und Verschrauben eines Deckelteils 18 (in der Fig. 1 nicht dargestellt) mit dem Gehäuse 3 eine Abdichtung des Innenraums 8 nach außen erzielt wird.

Die Fig. 2 zeigt die Außenzahnradmaschine der Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung. An die das Gehäuse 3 ausbildenden Gehäuseteile 3.1 und 3.2 wird beidseits ein Deckelteil 18 angesetzt und mit dem Gehäuse 3 verschraubt. Ferner sind zwei Lagerkörper 11 zur drehbaren Lagerung der Welle 13 bzw. des Wellenzapfens 14 vorgesehen, die beidseits der Zahnräder 1, 2 angeordnet sind.