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Patent Searching and Data


Title:
POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/025430
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a positive-displacement machine (40) comprising an inlet region (27) via which a working medium flows into at least one positive-displacement chamber (29, 30) of the positive-displacement machine (40). In order to create a positive-displacement machine which can be operated without any problem using low-viscosity media such as ORC fluids, at least one flow conducting device (31) which optimizes the inlet region (27) in terms of the flow behavior is placed in the inlet region (27).

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JPH08284845GEAR PUMP
Inventors:
BREDENFELD, Guido (Pappelweg 40, Markgroeningen, 71706, DE)
RICHTER, Armin (Wilhelmstrasse 21, Leinfelden-Echterdingen, 70771, DE)
BRANCZEISZ, Jakob (Hesselstrasse 6, Eberdingen, 71735, DE)
RIEDLE, Matthias (Hangstr. 65, Obersulm, 74182, DE)
Application Number:
EP2018/070705
Publication Date:
February 07, 2019
Filing Date:
July 31, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F04C2/18; F04C2/08; F04C2/10; F04C15/06
Domestic Patent References:
WO1993014314A11993-07-22
WO2016036277A12016-03-10
Foreign References:
JP2005344624A2005-12-15
US4913629A1990-04-03
GB580614A1946-09-13
US2439427A1948-04-13
DE102012216254A12014-03-13
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Claims:
Ansprüche

1. Verdrängermaschine (40) mit einem Einströmbereich (27), über den ein Arbeitsmedium in mindestens einen Verdrängerraum (29,30) der

Verdrängermaschine (40) einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einströmbereich (27) mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (31;41) angeordnet ist, durch welche der Einströmbereich (27) strömungstechnisch optimiert wird.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (31;41) mindestens ein Strömungsleitelement (32;42) umfasst, das so im Einströmbereich (27) angeordnet ist, dass das einströmende Arbeitsmedium in mindestens zwei gerichtete Teilströme (33,34;35,36) unterteilt wird.

3. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (32;42) mittig in einem Einströmquerschnitt angeordnet ist.

4. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement (32;42) quer zu dem einströmenden Arbeitsmedium über den gesamten Einströmquerschnitt erstreckt.

5. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (32) als Zylinderstift ausgeführt ist.

6. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (42) einen tropfenförmigen Querschnitt aufweist.

7. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (42) einen spitz zulaufenden Anströmquerschnitt aufweist, von dem zwei in Strömungsrichtung symmetrische Leitflächen ausgehen, die konkav gekrümmt sind.

8. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (42) am Ende konvex gekrümmt ist.

9. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (42) in einen

Anschlussstutzen (28) integriert ist.

10. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (41) mindestens einen verrundeten oder gefasten Übergang (50) in einen Verdrängerraum (30) umfasst.

Description:
Beschreibung

Titel

Verdrängermaschine Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine mit einem Einströmbereich, über den ein Arbeitsmedium in mindestens einen Verdrängerraum der

Verdrängermaschine einströmt.

Stand der Technik

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 216 254 AI ist eine

Außenzahnradmaschine, insbesondere eine Pumpe oder einen Motor, mit sich axial gegenüberliegend einem Niederdruckanschluss und einem

Hochdruckanschluss, mit wenigstens zwei Zahnrädern bekannt, die im

Außeneingriff miteinander kämmen, wobei die Zahnräder von einem Gehäuse umgeben sind und das eine Zahnrad einen Wellenzapfen und das andere Zahnrad eine An- oder Abtriebswelle aufweist, die jeweils in einer Lagerbohrung einer einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweisenden Lagerbuchse um jeweils eine Drehachse drehbar gelagert sind, wobei die Lagerbuchsen in entsprechenden Aufnahmeausnehmungen des Gehäuses aufgenommen sind, wobei die Lagerbuchsen aus Aluminium oder einer

Aluminiumlegierung und/oder das Gehäuse aus Grauguss bestehen, wobei jeweils die zwei radial nebeneinander liegenden Lagerbuchsen zu einer Lagerbrille miteinander verbunden sind, wobei in die Lagerbohrungen der Lagerbuchsen einen Axialschlitz aufweisende Lagerhülsen eingesetzt sind, in denen der Wellenzapfen und die An- oder Abtriebswelle drehbar gelagert sind, wobei die Lagerhülsen ein oder zwei Verdrehsicherungsansätze aufweisen, die in eine radial in die Lagerbohrung mündende Sicherungsausnehmung ragen.

Offenbarung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verdrängermaschine mit einem

Einströmbereich, über den ein Arbeitsmedium in mindestens einen

Verdrängerraum der Verdrängermaschine einströmt, zu schaffen, die mit niedrig viskosen Medien, wie ORC-Fluiden, problemlos betrieben werden kann.

Die Aufgabe ist bei einer Verdrängermaschine mit einem Einströmbereich, über den ein Arbeitsmedium in mindestens einen Verdrängerraum der

Verdrängermaschine einströmt, dadurch gelöst, dass in dem Einströmbereich mindestens eine Strömungsleiteinrichtung angeordnet ist, durch welche der Einströmbereich strömungstechnisch optimiert wird. Strömungstechnisch optimiert bedeutet unter anderem, dass unerwünschte Turbulenzen im

Einströmbereich vermieden werden. Die Verdrängermaschine kann genau einen Verdrängerraum umfassen. Die Verdrängermaschine kann aber auch mehr als einen Verdrängerraum, zum Beispiel zwei Verdrängerräume umfassen. Die Verdrängermaschine kann auch mehr als zwei Verdrängerräume umfassen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Verdrängermaschine als Außenzahnradmaschine ausgeführt. Die Außenzahnradmaschine kann besonders vorteilhaft mit niedrig viskosen Medien, wie ORC-Fluiden, betrieben werden. Dabei stehen die Großbuchstaben ORC für die englischen Begriffe Organic Rankine Cycle. Beispiele für ORC-Fluide sind Ethanol oder

Cyclopenthan. Die beanspruchte Außenzahnradmaschine kann auch mit einem Kältemittel, wie es in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, betrieben werden. Bei dem Arbeitsmedium, mit dem die beanspruchte

Außenzahnradmaschine betrieben wird, handelt es sich vorzugsweise um ein schlecht schmierendes Fluid mit einer niedrigen Viskosität. Die Viskosität des

Arbeitsmediums der Außenzahnradmaschine liegt zum Beispiel zwischen 0,3 und 1,6 centistokes. Des Weiteren wird das Arbeitsmedium im Betrieb der Außenzahnradmaschine mit einem eher geringen Druck beaufschlagt. Darüber hinaus kann das Arbeitsmedium im Betrieb der Außenzahnradmaschine eine Betriebstemperatur haben, die nur einen geringen Abstand zu einer

Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums aufweist. Daraus ergibt sich die Gefahr von unerwünschter Kavitation. Das Arbeitsmedium oder Arbeitsfluid ist im Betrieb der Außenzahnradmaschine in dem Arbeitsfluidraum angeordnet. In dem Arbeitsfluidraum wird das Arbeitsfluid oder Arbeitsmedium mit Druck

beaufschlagt, wenn die Außenzahnradmaschine als Außenzahnradpumpe betrieben wird. Wenn die Außenzahnradmaschine als Außenzahnradmotor betrieben wird, dann gelangt mit Druck beaufschlagtes Arbeitsfluid oder

Arbeitsmedium von außen in den Arbeitsfluidraum, um den Außenzahnradmotor anzutreiben. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Verdrängermaschine als Verdrängerpumpe, insbesondere als Konstantpumpe, betrieben. Bei einer Konstantpumpe wird bei jeder Umdrehung immer das gleiche Volumen verdrängt. Bei Verstellpumpen hingegen kann das

Verdrängungsvolumen eingestellt beziehungsweise verstellt werden. Bei Konstant-Verdränger-Maschinen ist der Volumenstrom durch die

Verdrängermaschine zunächst einmal proportional zur Drehzahl. Wenn im

Betrieb der Verdrängermaschine eine Volumenstromspreizung erforderlich ist, dann bestimmt diese Volumenstromspreizung die Spreizung der

Antriebsdrehzahl. Ein volumetrischer Wirkungsgrad der Verdrängermaschine ist direkt abhängig von der Antriebsdrehzahl. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen und Untersuchungen hat sich

herausgestellt, dass eine sehr große Spreizung der Antriebsdrehzahl insbesondere in Kombination mit der Verwendung von niedrig viskosen

Arbeitsmedien sich ungünstig auf Strömungsverhältnisse und Druckverhältnisse im Betrieb der Verdrängermaschine auswirken können. Über die

Strömungsleiteinrichtung im Einströmbereich der Verdrängermaschine kann das

Arbeitsmedium vorteilhaft weniger turbulent zugeführt werden. Das wirkt sich dann besonders vorteilhaft auf die Strömungsverhältnisse und Druckverhältnisse im Hinblick auf den volumetrischen Wirkungsgrad der Verdrängermaschine aus. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung mindestens ein

Strömungsleitelement umfasst, das so im Einströmbereich angeordnet ist, dass das einströmende Arbeitsmedium in mindestens zwei gerichtete Teilströme unterteilt wird. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Strömungsleiteinrichtung genau ein Strömungsleitelement, das so im

Einströmbereich angeordnet ist, dass das einströmende Arbeitsmedium in genau zwei gerichtete Teilströme unterteilt wird. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten nummerischen Strömungsmechanik-Berechnungen und -Simulationen konnte nachgewiesen werden, dass ein Triebwerk der Verdrängermaschine in einiger Entfernung ideal laminar angeströmt wird. Im Betrieb der Verdrängermaschine wird, zum Beispiel durch Auskämmen von Zahnrädern der als Außenzahnradmaschine ausgeführten Verdrängermaschine, entsprechend der Größe von freiwerdenden Zahnlücken ein Volumen frei.

Daraus entsteht ein lokales Unterdruckgebiet, was dazu führt, dass neues Arbeitsmedium oder Fluid einströmt. An dieser Stelle kommt es bei

herkömmlichen Verdrängermaschinen teils zu sehr hohen

Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzen. Ein Teil des Arbeitsmediums oder Fluids strömt zurück, das heißt entgegen der eigentlichen

Durchflussrichtung. Aus diesem Grund kann es im Saugtrakt einer

herkömmlichen als Verdrängerpumpe arbeitenden Verdrängermaschine zu turbulenten Strömungen und Verwirbelungen kommen. Unter ungünstigen Umständen kann dieses bei herkömmlichen Verdrängermaschinen zu einem unerwünschten Verdampfen des Fluids oder Arbeitsmediums beziehungsweise zu Kavitationseffekten im Saugbereich und speziell in einem Umsteuerbereich der als Verdrängerpumpe arbeitenden Verdrängermaschine führen. Das Strömungsleitelement kann auch als Füllstück bezeichnet werden und wird vorteilhaft direkt in den Strömungsquerschnitt im Einströmbereich der

Verdrängermaschine eingebracht. Das Strömungsleitelement kann besonders vorteilhaft, zum Beispiel unter Zuhilfenahme moderner Fertigungsverfahren, in den Einströmbereich der Verdrängermaschine eingebracht werden, ohne andere Bauteile der Verdrängermaschine zu verändern. Das Strömungsleitelement kann in dem Einströmbereich zum Beispiel durch 3D-Druck, Electron- Beam-Melting (EBM), Laser-Sintern, alternative Gießverfahren mit verlorenen Kernen einteilig ausgeführt werden. Diese Verfahren liefern den Vorteil, dass ein Gehäuse beziehungsweise ein Anschlussstutzen der Verdrängermaschine im

Einströmbereich oder Saugbereich einteilig ausgeführt werden kann. Darüber hinaus ermöglichen die modernen Fertigungsverfahren auch beliebige Formen des Strömungsleitelements oder Füllstücks. So kann mittels

strömungstechnischer Untersuchungen im Rahmen einer nummerischen Strömungsmechanik eine optimale Form des Strömungsleitelements

beziehungsweise Füllstücks über die gewünschten Betriebspunkte der

Verdrängermaschine beziehungsweise Verdrängerpumpe ermittelt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement mittig in einem Einströmquerschnitt angeordnet ist. Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass eine unerwünschte mittige Verwirbelung nicht mehr die Anströmung eines Verdrängerraums, zum Beispiel einer Zahnkammer, stört. Das

Strömungsleitelement oder Füllstück teilt besonders vorteilhaft eine

Rückströmung im Betrieb der Verdrängermaschine in zwei Strömungsgebiete, die jeweils einen Wirbel ausbilden, der sich an einem oberen beziehungsweise unteren Rand der Zuströmung in Wandnähe befindet. Dadurch wird vorteilhaft sichergestellt, dass die mittige Hauptströmung verwirbelungsärmer in den Verdrängerraum, zum Beispiel die Zahnkammer, gelangt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement quer zu dem einströmenden Arbeitsmedium über den gesamten Einströmquerschnitt erstreckt. Dadurch können die unerwünschten Verwirbelungen beziehungsweise

Turbulenzen im Einströmbereich wirksam verhindert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement als Zylinderstift ausgeführt ist. Das Strömungsleitelement hat zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. Der Zylinderstift ist einfach und

kostengünstig herstellbar und hat sich bei den im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen und Versuchen im Hinblick auf die gewünschte Verbesserung des Strömungsbildes als vorteilhaft erwiesen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement einen tropfenförmigen Querschnitt aufweist. Der tropfenförmige Querschnitt ist vorteilhaft entlang einer Längsachse in sich symmetrisch ausgeführt. Dabei erfolgt die Anströmung des Strömungsleitelements vorteilhaft an einem spitz zulaufenden Ende des tropfenförmigen Querschnitts. Dadurch kann die gewünschte Unterteilung des einströmenden Arbeitsmediums in zwei gerichtete Teilströme besonders effektiv erreicht werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement einen spitz zulaufenden Anströmquerschnitt aufweist, von dem zwei in Strömungsrichtung symmetrische Leitflächen ausgehen, die konkav gekrümmt sind. Dadurch können die unerwünschten Verwirbelungen beziehungsweise Turbulenzen besonders wirksam unterdrückt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement am Ende konvex gekrümmt ist. Dadurch kann besonders vorteilhaft die gewünschte Beeinflussung der Rückströmung erreicht werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement in einen

Anschlussstutzen integriert ist. Das Strömungsleitelement ist vorteilhaft an einem im Inneren der Verdrängermaschine angeordneten Ende des Anschlussstutzens vorgesehen. Der Anschlussstutzen ist zum Beispiel als Buchse ausgeführt, die in einen Eingangskanal der Verdrängermaschine eingeschraubt wird. Dadurch wird die Montage des Strömungsleitelements vereinfacht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Verdrängermaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung mindestens einen verrundeten oder gefasten Übergang in einen Verdrängerraum umfasst. Dadurch können unerwünschte wandnahe Rückströmungen und Verwirbelungen im Einströmbereich weiter reduziert werden. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Betreiben einer

Verdrängermaschine, insbesondere einer Außenzahnradmaschine, in einem WHR-System, mit einem niedrig viskosen Medium. Dabei stehen die

Großbuchstaben WH R für die englischen Begriffe Waste Heat Recovery. Das WHR-System dient vorteilhaft zur Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas eines Verbrennungsmotors in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Zur

Nutzung der Abwärme aus dem Abgas ist in einem Abgastrakt des

Verbrennungsmotors ein Wärmetauscher angeordnet, der Wärme aus dem Abgas auf ein in einem Wärmekreislauf strömendes Arbeitsmedium überträgt. Das Arbeitsmedium in dem Wärmekreislauf treibt eine Expansionsmaschine an. Bei dem Wärmekreislauf handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess oder Dampfkraftprozess, der auch als Rankine- Prozess oder Clausius- Rankine- Kreisprozess bezeichnet wird. Als Expansionsmaschine wird eine Strömungsmaschine, zum Beispiel eine Turbomaschine, oder eine

Verdrängermaschine, zum Beispiel eine Kolbenmaschine, eine

Schraubenmaschine oder eine Scroll- Maschine, eingesetzt. In dem Kreisprozess sind des Weiteren ein Kondensator und ein Verdampfer angeordnet. Die Außenzahnradpumpe ist in dem Kreisprozess zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer angeordnet. Als Arbeitsmedium wird in dem Kreisprozess vorzugsweise ein niedrigviskoses Medium, wie ein ORC-Fluid verwendet.

Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch eine Strömungsleiteinrichtung, inbesondere ein Strömungsleitelement beziehungsweise einen Anschlussstutzen mit einem Strömungsleitelement, für eine vorab beschriebene

Verdrängermaschine. Die genannten Teile sind separat handelbar.

Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein System zur Rückgewinnung von Wärme aus Abgas mit einer vorab beschriebenen Verdrängermaschine, vorzugsweise einer Außenzahnradmaschine, insbesondere einer

Außenzahnradpumpe.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 eine Explosionsdarstellung einer Außenzahnradmaschine nach dem Stand der Technik;

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Einströmbereichs einer

Verdrängermaschine, die zum Beispiel als Außenzahnradpumpe ausgeführt ist, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, mit einem als Zylinderstift ausgeführten Strömungsleitelement im Querschnitt durch das Strömungsleitelement und im Längsschnitt durch einen Anschlussstutzen;

Figur 3 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 2 mit einem tropfenförmigen Strömungsleitelement;

Figur 4 das Strömungsleitelement aus Figur 3 in einer Seitenansicht von links; und Figur 5 eine vergrößerte Einzelheit V aus Figur 3 mit einem verrundeten und gefasten Übergang in einen Verdrängerraum der Verdrängermaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die in Figur 1 dargestellte Außenzahnradmaschine nach dem Stand der Technik ist eine Außenzahnradpumpe und weist ein Gehäuse 1 aus Aluminium auf, das einen Innenraum 2 aufweist, in dem zwischen zwei Lagerbrillen 3, 3' zwei Zahnräder 4 und 5 aus Stahl angeordnet sind. Die Zahnräder 4 und 5 kämmen im Außeneingriff miteinander.

Die Lagerbrillen 3, 3' sind in Aufnahmeausnehmungen 23, 23'des Gehäuses 1 aufgenommen, deren Querschnitt der Außenkontur der Lagerbrillen 3, 3' entspricht. Das Zahnrad 4 ist drehfest auf einer Freilaufwelle 6 angeordnet, die zu beiden

Seiten des Zahnrads 4 hervorsteht und mit ihren hervorstehenden Bereichen jeweils in einer Lagerbohrung 7, 7' der Lagerbrillen 3, 3' drehbar gelagert ist.

Das Zahnrad 5 ist drehfest auf einer Antriebswelle 8 angeordnet, die ebenfalls zu beiden Seiten des Zahnrads 5 hervorsteht und mit ihren hervorstehenden

Bereichen jeweils in einer Lagerbohrung 9, 9' der Lagerbrillen 3, 3' drehbar gelagert ist.

An der äußeren Seite der einen Lagerbrille 3 wird von einem Stützelement 11 eine Axialabdichtung 10 in Anlage gehalten, wobei diese Seite des Gehäuses 1 von einem ersten Deckel 12 verschlossen ist, der mittels Schrauben 13 an das Gehäuse 1 angeschraubt ist.

Der Innenraum 2 des Gehäuses 1 ist über eine zwischen Deckel 12 und

Gehäuse 1 angeordnete Ringdichtung 14 nach außen abgedichtet.

In gleicher Weise wird an der äußeren Seite der anderen Lagerbrille 3' von einem Stützelement 11' eine Axialabdichtung 10' in Anlage gehalten, wobei diese Seite des Gehäuses 1 von einem zweiten Deckel 15 verschlossen ist, der mittels Schrauben an das Gehäuse 1 angeschraubt ist. Der Innenraum 2 des Gehäuses 1 ist über eine zwischen dem Deckel 15 und dem Gehäuse 1 angeordnete Ringdichtung 14' nach außen abgedichtet.

Das dem zweiten Deckel 15 zugewandte Ende der Antriebswelle 8 ragt abgedichtet von einer Radialwellendichtung 17 durch eine Durchgangsöffnung 16 im Deckel 15 nach außen.

Dieses nach außen ragende Ende der Antriebswelle 8 ist durch einen nicht dargestellten Drehantrieb drehbar antreibbar. Damit wird auch das Zahnrad 5 und durch dieses das Zahnrad 4 drehbar angetrieben. Dadurch wird an einem Niederdruckanschluss 18 Hydrauliköl angesaugt und zu einem

Hochdruckanschluss 19 gefördert.

Die im Gehäuse 1 ausgebildeten Niederdruckanschluss 18 und

Hochdruckanschluss 19 liegen sich koaxial gegenüber und führen vom Äußeren des Gehäuses 1 zu dem Eingriffsbereich der Zahnräder 4 und 5.

In dem in Figur 1 dargestellten Auslieferungszustand sind der

Hochdruckanschluss 19 und der Niederdruckanschluss 18 jeweils von einem Verschlussstopfen 20, 20' verschlossen.

In den Figuren 2 bis 5 sind Ausführungsbeispiele mit einer

Strömungsleiteinrichtung gezeigt. Die Strömungsleiteinrichtung kann vorteilhaft bei allen Hydraulikmaschinen, insbesondere Hydraulikpumpen, insbesondere Zahnradmaschinen oder Zahnradpumpen, eingesetzt werden, die der Förderung eines nieder viskosen Mediums dienen, die nahe am Verdampfungs- oder Siedepunkt des Betriebsmediums oder Arbeitsmediums arbeiten und bei denen die Erreichung eines möglichst hohen volumetrischen Wirkungsgrads bei gleichzeitiger Sicherstellung einer akzeptablen Lebensdauer erforderlich ist.

In der Außenzahnradmaschine wird das Triebwerk üblicherweise aus zwei gegeneinander kämmenden Zahnradpaaren gebildet. Die Zahnkörper dieser Zahnräder sind üblicherweise auf Wellen angebracht, welche beidseitig in einer Lagerbuchse beziehungsweise Lagerbrille gelagert werden. Neben der eigentlichen Lagerfunktion wird von den Lagerbuchsen/-brillen einer

Außenzahnradmaschine auch die Dichtfunktion übernommen. Im Wesentlichen sind das die axiale (Zahnradstirnseiten) und die radiale (Zahnköpfe, Buchsen/- Brillenumfang) Abdichtung. Durch das Auskämmen der beiden Zahnräder wird an der Stelle, an der ein

Zahnkopf aus der jeweilig gegenüberliegenden Zahnlücke auskämmt, ein Volumen entsprechend der Größe der Zahnlücke frei. Dadurch entsteht ein Unterdruck, was dazu führt, dass das auf der Saugseite der Pumpe anstehende Fluid nachströmt. Die Außenzahnradpumpe saugt durch diese Wirkweise also frisches Medium an.

Aus den Systemanforderungen ergibt sich eine gewisse Bandbreite eines geforderten Volumenstroms. Da Zahnradpumpen zu den Konstant-Verdränger- Maschinen gehören, ist der Volumenstrom zunächst einmal proportional zur Antriebsdrehzahl der Pumpe (Pumpen-Wirkungsgrade vernachlässigt). Die geforderte Volumenstromspreizung bestimmt daher die Spreizung der

Antriebsdrehzahl.

Aufgrund der inneren Leckagen der Pumpe ergibt sich ein Kennfeld des volumetrischen Wirkungsgrads. Dieser ist direkt abhängig von der

Antriebsdrehzahl und ist bei niedrigen meist schlechter als bei hohen

Drehzahlen. Daher ist es für die Auslegung der Pumpe (gemeint ist Bau- und Fördergröße) wichtig, dass sie an der unteren Grenze des geforderten

Volumenstroms noch eine Antriebsdrehzahl erfährt, unter der sie einen ausreichend guten Wirkungsgrad erreichen kann. Ist die geforderte Volumenstromspreizung sehr groß, ergibt sich folglich auch eine sehr große Spreizung der Antriebsdrehzahl. Dies kann unter Umständen problematisch sein, da sich hierbei sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten und dadurch wiederum ungünstige Strömungs- und Druckverhältnisse einstellen können. Dies ist vor allem auf der Pumpen-Saugseite kritisch, da sich hier stark turbulente Strömungsverhältnisse einstellen können, durch welche es zu

Kavitationseffekten beziehungsweise zu einer nicht ausreichenden Befüllung der einzelnen Zahnkammern (Sauggrenze) kommen kann. Die Eigenschaften des Betriebsmediums, wie zum Beispiel die Viskosität, Dichte,

Dampfdruck usw. wirken sich direkt auf diesen Effekt aus. Die in WHR-Systemen üblichen nieder viskosen Medien, wie zum Beispiel Ethanol, Cyclopentan oder Kältemittel haben neben ihrer sehr geringen Viskosität bekanntermaßen auch einen sehr niedrigen Siedepunkt (beziehungsweise in Abhängigkeit des Drucks eine niedrige Siedekurve). Um einen maximalen Systemwirkungsgrad zu erreichen, arbeiten deshalb Systeme mit ORC-prozessen (Organic-Rankine- Cycle) sehr nahe an der Siedelinie des Fluids. Das bedeutet für die Pumpe wiederum, dass nur sehr geringe Temperaturanstiege (zum Beispiel durch Eintrag von Reibleistung) beziehungsweise sehr niedrige Druckabsenkungen (zum Beispiel im Saugbereich durch Turbulenzen) zulässig sind, da sonst das

Fluid sofort beginnen würde, zu verdampfen.

In den Figuren 2 und 3 ist dargestellt, wie bei einer Verdrängermaschine, wie sie zum Beispiel in Figur 1 dargestellt ist, neben der dauerhaften Funktionsfähigkeit beziehungsweise Lebensdauer vor allem auch ein ausreichendhoher

volumetrischer Wirkungsgrad beim Betrieb in einem WHR-System sichergestellt werden kann. Das hängt zum einen maßgeblich von der inneren Dichtheit der Außenzahnradmaschine ab. Anderseits aber auch von der Möglichkeit ab, die einzelnen Zahnkammern auch bei sehr hohen Drehzahlen, also

Fluidgeschwindigkeiten saugseitig ausreichend gut befüllen zu können.

Durch eine Strömungsleiteinrichtung 31; 41 kann die Strömung in einem

Einströmbereich 27 der Verdrängermaschine im Wesentlichen ohne Turbulenzen und somit verlustarm geführt werden. Dadurch kann auch bei hohen Drehzahlen beziehungsweise Strömungsgeschwindigkeiten ein ausreichend hoher volumetrischer Wirkungsgrad sichergestellt werden. Darüber hinaus kann das Auftreten unerwünschter Kavitation im Inneren der Verdrängermaschine verhindert werden. Des Weiteren wird ein unerwünschtes Verdampfen des Arbeitsmediums in der Verdrängermaschine, und damit ein unerwünschtes Trockenlaufen ohne ausreichende Schmierung, verhindert.

Durch die Strömungsleiteinrichtung 31; 41 im Einströmbereich 27 der

Verdrängermaschine wird diese im Einströmbereich, zum Beispiel im Saugtrakt einer als Pumpe arbeitenden Verdrängermaschine, strömungstechnisch optimiert. Die Strömungsleiteinrichtung 31; 41 umfasst vorteilhaft ein

Strömungsleitelement 32; 42, das auch als Füllstück bezeichnet wird und im Einströmbereich 27 unter anderem unter Zuhilfenahme des Coandä- Effekts zu einer gerichteten Umströmung dieses Hindernisses und damit zu einem gerichteten Strömungsbild führt.

In den Figuren 2 und 3 ist ein Ausschnitt einer Verdrängermaschine 40 mit einem Gehäuse 24 im Schnitt dargestellt. Bei der Verdrängermaschine 40 handelt es sich zum Beispiel um eine Außenzahnradpumpe, wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Das Gehäuse 24 umfasst einen Gehäusekörper 25 mit einem Anschluss 26, über welchen der Verdrängermaschine 40 ein Arbeitsmedium oder Arbeitsfluid, zum

Beispiel ein ORC-Fluid, zugeführt wird. Der Anschluss 26 entspricht dem

Eingang 18 der Außenzahnradpumpe in Figur 1.

Der Einströmbereich 27 wird von einem Anschlussstutzen 28 begrenzt. Über den Anschlussstutzen 28 gelangt das Arbeitsmedium in Verdrängerräume 29, 30 in der Verdrängermaschine 40. In den Verdrängerräumen 29, 30 sind (in den Figuren 2 und 3 nicht dargestellte) Verdrängerkörper angeordnet. Die

Verdrängerkörper können als Außenzahnräder ausgeführt sein, wie bei der Außenzahnradpumpe in Figur 1.

Durch die Strömungsleiteinrichtung 31 wird das einströmende Arbeitsmedium, wie in den Figuren 2 und 3 durch Pfeile 33 bis 36 angedeutet ist, in zwei gerichtete Teilströme 33, 34 und 35, 36 unterteilt. Durch Pfeile 37 und 38 ist angedeutet, dass eine Rückströmung des Arbeitsmediums im Betrieb der Verdrängermaschine 40 in zwei Strömungsgebiete unterteilt werden, die jeweils einen Wirbel bilden, der sich vorteilhaft am oberen beziehungsweise unteren Rand der Zuströmung in Wandnähe befindet, wo es im Hinblick auf den volumetrischen Wirkungsgrad eher unkritisch ist.

In Figur 2 ist das Strömungsleitelement 32 als Zylinderstift ausgeführt und im Einströmquerschnitt mittig angeordnet. Durch diese Anordnung werden die beiden Teilströme 33, 34 und 35, 36 aus dem Einströmbereich 27 in die

Verdrängerräume 29 und 30 geleitet.

In den Figuren 3 und 4 sieht man, dass das Strömungsleitelement 42 der Strömungsleiteinrichtung 41 tropfenförmig mit einem spitz zulaufenden

Anströmquerschnitt im Einströmbereich 27 ausgeführt ist. Von dem spitz zulaufenden Anströmquerschnitt gehen zwei in Strömungsrichtung symmetrische Leitflächen aus, die konkav gekrümmt sind. Dadurch wird die gewünschte Unterteilung des einströmenden Arbeitsmediums in die beiden gerichteten Teilströme 33, 34 und 35, 36 noch wirksamer realisiert.

In Figur 5 ist eine vergrößerte Einzelheit V aus Figur 3 mit einem

strömungstechnisch optimierten Übergang 50 in den Verdrängerraum 30 der Verdrängermaschine im Schnitt dargestellt. Der Übergang 50 ist mit einer Fase 51 und zwei verrundeten Bereichen ausgestattet, die durch Radien 52 und 53 angedeutet sind. Dadurch kann eine unerwünschte wandnahe Rückströmung und Verwirbelung weiter reduziert werden.