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.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Außenzahnradmaschine, insbesondere einen Außenzahnradmotor oder eine Außenzahnradpumpe, anzugeben, die einen hohen vo- lumetrischen Wirkungsgrad besitzt und zugleich möglichst einfach aufgebaut sowie kostengünstig herstellbar ist.

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 das Abgaswärmerückgewinnungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen.

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. Ferner umfasst die Außenzahnradmaschine einen im Gehäuse aufgenommenen Lagerkörper, der mindestens eine Lagerbohrung zur drehbaren Lagerung einer mit dem ersten Zahnrad verbundenen Welle und/oder eines mit dem zweiten Zahnrad verbundenen Wellenzapfens aufweist. Der Lagerkörper besitzt dabei eine an eine Innenkontur des Gehäuses angepasste Außenkontur. Die Außenkontur des Lagerkörpers weist erfindungsgemäß mindestens eine sich in axialer Richtung erstreckende lineare Dichtkontur auf, über welche der Lagerkörper im Betrieb der Au- ßenzahnradmaschine in radialer Richtung am Gehäuse abgestützt ist. Die Abstützung über die mindestens eine sich in axialer Richtung erstreckende lineare Dichtkontur bewirkt zugleich eine Abdichtung in radialer Richtung, wobei die lineare Dichtkontur eine hohe Dichtkraft gewährleistet.

Die in radialer Richtung wirkende Dichtkraft wird im Betrieb der Außenzahnradmaschi- ne über den auf der Druckseite anstehenden Betriebsdruck erreicht. Dieser führt zu einer Verlagerung der Zahnräder und des Lagerkörpers in Richtung der Saugseite der Außenzahnradmaschine, so dass die Zahnköpfe der Zahnräder bzw. die mindestens eine Dichtkontur des Lagerkörpers in Kontakt mit dem Gehäuse gelangen. Der Kontakt der Zahnköpfe mit dem Gehäuse verhindert, dass die Zahnköpfe im Bereich einer ersten radialen Dichtstelle vom Arbeitsmedium umspült werden. Der Kontakt der mindestens einen Dichtkontur des Lagerkörpers mit dem Gehäuse bewirkt eine Abdichtung im Bereich einer zweiten radialen Dichtstelle, die zwischen dem Gehäuse und dem Lagerkörper ausgebildet wird.

Bevorzugt wird die Dichtkontur durch einen Steg oder eine erhabene Kante, insbesondere durch eine Beißkante, des Lagerkörpers gebildet. Der Steg bzw. die Kante reduziert den Dichtkontakt auf einen schmalen linienförmigen Kontaktbereich, so dass die in radialer Richtung wirkende Dichtkraft maximal ist. Ferner kann sich der Steg oder die Kante, insbesondere wenn diese als Beißkante ausgeführt ist, in das Gehäuse eingraben, so dass im Dichtkontakt ein Formschluss erzielt wird, der die Abdichtung weiter optimiert. Denn durch den Formschluss wird - ähnlich einer Labyrinth-Dichtung - die in Umfangsrichtung des Lagerkörpers wirksame Dichtstrecke verlängert. Mit Eingraben des Stegs oder der Kante in das Gehäuse kann zudem ein an den Steg oder an die Kante anschließender Bereich der Außenkontur des Lagerkörpers in Kontakt mit dem Gehäuse gelangen, so dass hierüber ein zusätzlicher flächiger Dichtkontakt geschaffen wird, welcher die Dichtwirkung über die mindestens eine Dichtkontur weiter verstärkt. In der Ausbildung als Steg oder erhabene Kante, insbesondere als Beißkante, ist die Dichtwirkung der Dichtkontur weitgehend verschleißunabhängig, da sie - im Unterschied zu einer Elastomerdichtung - keiner Alterung unterliegt. Eine Dichtkontur in Form eines Stegs oder einer erhabenen Kante kann zudem einfach und kostengünstig realisiert werden. Dies gilt insbesondere, wenn der Steg oder die Kante durch den Lagerkörper selbst ausgebildet wird, so dass die Anzahl der erforderlichen Bauteile unverändert bleibt.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Dichtkontur durch ein Dichtelement gebildet wird, das in eine Längsnut des Lagerkörpers eingesetzt ist. Über die Längsnut ist das Dichtelement lagefixiert, wobei das Dichtelement nicht vollständig in der Längsnut aufgenommen ist, um den gewünschten linearen Dichtkontakt des Dichtelements mit dem Gehäuse zu gewährleisten. Der im Betrieb der Außenzahnradmaschine druckseitig auf den Lagerkörper lastende Betriebsdruck hält das Dichtelement in Kontakt mit dem Gehäuse.

Vorteilhafterweise ist das Dichtelement elastisch verformbar, wobei das Maß der Verformung vom druckseitig anstehenden Betriebsdruck abhängig ist. Steigt der Druck an, nimmt auch die Verformung zu, so dass sich die in Umfangsrichtung des Lagerkörpers wirksame Dichtstrecke vergrößert. Entsprechend erhöht sich die Dichtwirkung.

Die Ausbildung der Dichtkontur durch ein separates Dichtelement, das in eine Längsnut des Lagerkörpers eingesetzt wird, lässt sich leicht umsetzen. Ferner eignet sich das separate Dichtelement zur einfachen Nachrüstung einer bereits vorhandenen Außenzahnradmaschine. Hierzu wird erst eine Längsnut in die Außenkontur des Lagerkörpers eingebracht. Anschließend wird das Dichtelement in die Längsnut eingesetzt. Sofern das Dichtelement aus einem Elastomermaterial gefertigt ist, so dass es einer Alterung unterliegt, kann es bei Bedarf ausgetauscht werden.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene lineare Dichtkontur erstreckt sich vorzugsweise in axialer Richtung über die gesamte Außenkontur des Lagerkörpers. Auf diese Weise wird eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse und dem Lagerkörper erreicht, die sich über die gesamte Länge des Radialspalts erstreckt. Ferner wird vorgeschlagen, dass der die Dichtkontur aufweisende Lagerkörper eine Lagerbuchse oder eine Lagerbrille ist. Sofern der Lagerkörper als Lagerbuchse ausgeführt ist, ist diese bevorzugt mit einer weiteren Lagerbuchse zu einer Lagerbrille zusann mengefasst. Die Ausführung des Lagerkörpers als Lagerbrille weist den Vorteil auf, dass die Bauteilezahl reduziert wird, wodurch die Montage der Außenzahnradmaschine vereinfacht wird. Die radiale Abstützung eines als Lagerbrille ausgeführten Lagerkörpers am Gehäuse wird vorzugsweise über zwei sich in axialer Richtung erstreckende lineare Dichtkonturen bewirkt.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Lagerkörper eine stirnseitige Ausnehmung 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 Gehäusedeckel zu liegen kommt. Das Dichtelement dient in diesem Fall als Axialfelddichtung.

Die stirnseitige Ausnehmung zur Aufnahme des Dichtelements ist vorzugsweise als gegenüber der Außenkontur des Lagerkörpers nach radial innen versetzte stirnseitige Nut ausgebildet. Über die Nut ist das Dichtelement lagefixiert, so dass hierüber einer Relativbewegung des Dichtelements gegenüber dem Lagerkörper entgegengewirkt wird.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Gehäuse und einem Deckelteil ein Dichtring eingelegt ist. Der Dichtring dichtet den Innenraum der Außenzahnradmaschine nach außen ab.

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 angeordneten 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.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Außenzahnradmaschine,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Außenzahnradmaschine zwecks Darstellung der Leckagepfade,

Fig. 3 eine Lagerbrille für eine erfindungsgemäße Außenzahnradmaschine gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, a) in einer ersten Draufsicht, b) in einer zweiten Draufsicht und c) in einer vergrößerten Detailansicht,

Fig. 4 eine Lagerbrille für eine erfindungsgemäße Außenzahnradmaschine gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, a) in einer ersten Draufsicht, b) in einer zweiten Draufsicht und c) in einer vergrößerten Detailansicht.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der Darstellung der Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Außenzahnradmaschine zu entnehmen. Diese umfasst ein drehfest mit einer Welle 7 verbundenes erstes Zahnrad 1 sowie ein auf einem Wellenzapfen 8 angeordnetes zweites Zahnrad 2, wobei das erste und das zweite Zahnrad 1, 2 im Außeneingriff miteinander kämmen. Zur drehbaren Lagerung der Welle 7 und des Wellenzapfens 8 werden die beiden Zahnräder 1, 2 von jeweils stirnseitig in Bezug auf die Zahnräder 1,2 angeordneten Lagerkörpern 4, 4' eingefasst. Die beiden Lagerkörper 4, 4' sind als Lagerbrillen ausgeführt, wobei jeder Lagerkörper 4, 4' von einer ersten Lagerbohrung 5 und einer zweiten Lagerbohrung 6 zur Aufnahme der Welle 7 bzw. des Wellenzapfens 8 durchsetzt ist (analog der Lagerbrille der Fig. 3 oder der Fig. 4).

Der Darstellung der Fig. 1 ist ferner ein Gehäuse 3 zu entnehmen, in welches die Zahnräder 1, 2 und die Lagerkörper 4, 4' einsetzbar sind. Das Gehäuse 3 weist hierzu einen Innenraum 18 auf, dessen Innenkontur 9 die an die Außenkontur 10, 10' der Lagerkörper 4, 4' angepasst ist. Über ein erstes und ein zweites Deckelteil 16, 16' ist der Innenraum 18 verschließbar, wobei die Deckelteile 16, 16' mittels Schrauben 19 am Gehäuse 3 befestigbar sind. Um den Innenraum 18 nach außen abzudichten, ist zwischen den Deckelteilen 16, 16' und dem Gehäuse 3 jeweils ein Dichtring 17, 17' eingelegt. Darüber hinaus weisen die Lagerkörper 4, 4' stirnseitige Ausnehmungen 14 zur Aufnahme von Dichtelementen 15 auf, über welche die Lagerkörper 4, 4' direkt oder indirekt aufgrund zwischenliegender Stützringe 20 am jeweiligen Deckelteil 16, 16' abstützbar sind.

Damit ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad erreicht wird, gilt es die Leckage einer Außenzahnradmaschine gering zu halten. Dabei ist einerseits sicherzustellen, dass kein Arbeitsmedium nach außen dringt. Andererseits gilt es eine innere Leckage zu verhindern, bei welcher das Arbeitsmedium von einer Druckseite 21 auf eine Saugseite 22 der Außenzahnradmaschine wandert. Die innere Leckage kann insbesondere über Leckagepfade 23, 24, 25, 26, 27 erfolgen, die in der Fig. 2, welche einen schematischen Querschnitt durch eine bekannte Außenzahnradmaschine zeigt, durch Pfeile angedeutet sind. Die Leckagepfade 23 und 24 verlaufen dabei in der Ebene der Zahnräder 1,2, während die Leckagepfade 25, 26 und 27 jeweils stirnseitig in Bezug auf die Zahnräder 1, 2 angeordnet sind (siehe Fig. 2).

Einer Leckage über den Leckagepfad 23 wird im Betrieb der Außenzahnradmaschine dadurch entgegengewirkt, dass ein auf der Druckseite 21 anstehende Betriebsdruck die Zahnräder 1, 2 in Richtung der Saugseite 22 verlagert. Diese gelangen somit in einem Kontaktbereich 29 in Kontakt mit dem Gehäuse 3, wobei die Zahnräder 1, 2 und das Gehäuse 3 eine erste radiale Dichtstelle ausbildend zusammenwirken. Eine zweite radiale Dichtstelle wird zwischen den Außenkonturen 10, 10' der Lagerkörper 4, 4' und der Innenkontur 9 des Gehäuses 3 ausgebildet, da die Lagerkörper 4, 4' durch den auf der Druckseite 21 anstehenden Betriebsdruck ebenfalls in Richtung der Saugseite 22 verlagert werden. Die Verlagerung der Zahnräder 1, 2 und der Lagerkörper 4, 4' in radialer Richtung ist in der Fig. 2 durch die Pfeile 28 angedeutet.

Eine Abdichtung im Kontaktbereich der Lagerkörper 4, 4' mit dem Gehäuse 3 wird üblicherweise allein durch den flächigen Kontakt dieser Bauteile erreicht. Dies setzt jedoch eine hohe Fertigungsgenauigkeit hinsichtlich Form und Oberflächengüte der Bauteile voraus. Dementsprechend hoch sind die Fertigungskosten.

Bei einer erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine wird die radiale Abdichtung in der Ebene eines Lagerkörpers 4 vorrangig durch mindestens eine am Lagerkörper 4 ausgebildete, sich in axialer Richtung erstreckende lineare Dichtkontur 11 erzielt. Diese ist gegenüber der Außenkontur 10 des Lagerkörpers 4 erhaben, so dass im Betrieb der Außenzahnradpumpe aufgrund des auf der Druckseite 21 anstehenden Betriebsdrucks der Lagerkörper 4 über die mindestens eine Dichtkontur 11 in Kontakt mit dem Gehäuse 3 gelangt.

Bei dem in den Figuren 3 a)-c) dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Lagerkörper 4 zwei außenumfangseitig angeordnete Dichtkonturen 11 jeweils in Form einer Beißkante auf (siehe insbesondere Fig. 3c). Die Ausführung der Dichtkonturen 11 als Beißkante besitzt den Vorteil, dass sich die Dichtkonturen 11 in das Gehäuse 3 einfachen können, so dass über den reinen Kontakt hinaus zusätzlich ein Formschluss erzielt wird. Durch den Formschluss wird die in Umfangsrichtung wirksame Dichtstrecke vergrößert, so dass die Dichtwirkung weiter verbessert wird.

Bei dem in den Figuren 4 a)-c) dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Dichtkonturen 11 durch elastisch verformbare Dichtelemente 12 gebildet, die in außenumfang- seitige Längsnuten 13 des Lagerkörpers 4 eingesetzt sind. Da die Längsnuten 13 auch nachträglich in eine Außenkontur 10 eines Lagerkörpers 4 einbringbar sind, eignet sich diese Maßnahme auch zur Nachrüstung einer bereits vorhandenen Außenzahnradmaschine.

Wie beispielhaft in den Figuren 3 a)-c) und 4 a) bis c) dargestellt, kann mit einfachen konstruktiven Maßnahmen an einem Lagerkörper 4 einer Außenzahnradmaschine die radiale Abdichtung erheblich verbessert werden. Da die radiale Abdichtung die wichtigste Dichtstelle im Triebwerk einer Außenzahnradmaschine darstellt, kann auf diese Weise die innere Leckage deutlich verringert werden. Im Ergebnis wird ein hoher volu- metrischer Wirkungsgrad der Außenzahnradmaschine erreicht. Zugleich können die Anforderungen hinsichtlich der Fertigungsgenauigkeit des Lagerkörpers 4 gesenkt werden, was sich günstig auf die Fertigungskosten auswirkt.