Außenzahnradpumpe für ein Abwärmerückgewinnungssvstem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe, insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine.

Stand der Technik

Fluidförderpumpen sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise als Außenzahnradpumpen aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 045 030 A1 .

Weiterhin ist auch die prinzipielle Anordnung von Speisefluidpumpen innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 205 648 A1. Jedoch lassen die bekannten Dokumente offen, wie die Speisefluidpumpe gegenüber den aggressiven Medien von Abwärmerückgewinnungssystemen geschützt werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe, insbesondere verwendet als eine Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems, hat demgegenüber den Vorteil, dass sie zum einen bei aggressiven Medien eingesetzt werden kann, zum anderen aber auch eine hohe Laufruhe aufweist. Dazu umfasst die Außenzahnradpumpe ein Pumpengehäuse. In dem

Pumpengehäuse sind ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Das erste Zahnrad ist auf einer ersten Welle angeordnet und das zweite Zahnrad auf einer zweiten Welle. Die erste Welle ist durch eine erste Lagerfläche radial gelagert und die zweite Welle durch eine zweite

Lagerfläche. Erfindungsgemäß sind die erste Lagerfläche und die zweite

Lagerfläche an einer Lagerbrille ausgebildet.

Dadurch können die beiden Lagerflächen zueinander in sehr engen Toleranzen gefertigt werden, beispielsweise hinsichtlich ihrer Koaxialität. Demzufolge wird eine hohe Laufruhe und ein geringer Verschleiß erzielt.

Vorteilhafterweise ist die Lagerbrille aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgeführt, vorzugsweise aus PEEK. Viele thermoplastische Kunststoffe sind sehr resistent gegenüber aggressiven Medien. Weiterhin korrodieren Kunststoffe nicht. Die Lebensdauer der Außenzahnradpumpe wird dadurch erhöht.

Insbesondere in der Anwendung für Arbeitsmedien eines

Abwärmerückgewinnungssystems sind thermoplastische Kunststoffe daher sehr geeignet.

In vorteilhaften Ausführungen ist an der Lagerbrille eine Anschlagfläche ausgebildet. Die Anschlagfläche wirkt in axialer Richtung der ersten Welle mit dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad zusammen. Dadurch sind die beiden Zahnräder, bzw. der jeweilige Verbund aus Welle und Zahnrad, durch die Lagerbrille auch axial in einer Richtung gelagert. Ein zusätzliches Axiallager für die Wellen entfällt somit.

In vorteilhaften Ausführungen weisen die erste Lagerfläche und die zweite Lagerfläche in axialer Richtung eine konvexe bzw. ballige Kontur auf. Dadurch sind die beiden Wellen so gelagert, dass die maximalen Kontaktpressungen zwischen Welle und Lagerfläche minimiert werden, die festigkeitskritischen Kantenträger entfallen. Dementsprechend wird die Festigkeit der Lagerung erhöht und der Verschleiß verringert.

Vorteilhafterweise ist die Lagerbrille in das Pumpengehäuse eingepresst. Dies ist zum einen eine sehr kostengünstige und feste Verbindung zwischen dem Pumpengehäuse und der Lagerbrille. Zum anderen kann die Lagerbrille mit sehr engen Toleranzen, speziell bezüglich der beiden Lagerflächen, innerhalb des Pumpengehäuses positioniert werden. Die Verbindung zu weiteren Teilen, beispielsweise zum Antrieb der Außenzahnradpumpe, kann dadurch sehr exakt ausgeführt werden. Hohe Laufruhe, geringer Verschleiß und Erhöhung der Lebensdauer sind die Folge.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Welle durch eine erste

Sekundärlagerfläche radial gelagert und die zweite Welle durch eine zweite Sekundärlagerfläche. Die erste Sekundärlagerfläche und die zweite

Sekundärlagerfläche sind auf der der ersten Lagerfläche und der zweiten Lagerfläche gegenüberliegenden Seite der Zahnräder angeordnet. Dadurch sind die Wellen jeweils beidseitig der Zahnräder radial gelagert. Die Querkräfte der kämmenden Zahnräder werden so durch je zwei Radiallager pro Zahnrad aufgenommen. Damit wird eine sehr gute Laufruhe der Außenzahnradpumpe erzielt. Vorzugsweise sind die beiden Wellen parallel zueinander angeordnet. Durch die Lagerung über die beiden Lagerflächen und die beiden

Sekundärlagerflächen wird somit ein sehr guter Parallellauf der beiden Wellen zueinander erzielt. Dadurch ist der Zahneingriff der beiden Zahnräder optimiert. Demzufolge ist die Fördereffizienz der Außenzahnradpumpe maximiert und die Leckage minimiert.

Vorteilhafterweise sind die erste Sekundärlagerfläche und die zweite

Sekundärlagerfläche an einer weiteren Lagerbrille ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei die Bauart der weiteren Lagerbrille analog zur Bauart der Lagerbrille. Die Fertigung der beiden Lagerbrillen ist dadurch sehr kostengünstig, da die Anzahl der Gleichteile erhöht ist.

Entsprechend der oben genannten Vorteile ist auch die zweite Lagerbrille aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PEEK, ausgeführt und in das Pumpengehäuse eingepresst. Ebenso weisen auch die erste

Sekundärlagerfläche und die zweite Sekundärlagerfläche in axialer Richtung eine konvexe Kontur auf. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist an der weiteren Lagerbrille eine weitere

Anschlagfläche ausgebildet. Die weitere Anschlagfläche wirkt in axialer Richtung der ersten Welle mit dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad zusammen. Dadurch sind die beiden Zahnräder, bzw. der jeweilige Verbund aus Welle und Zahnrad, durch die weitere Lagerbrille auch axial in einer weiteren Richtung gelagert. Die axiale Lagerung durch die weitere Anschlagfläche erfolgt dabei vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung zur axialen Lagerung durch die Anschlagfläche. Der jeweilige Verbund aus Welle und Zahnrad ist dadurch statisch bestimmt gelagert.

Zahnradpumpen, speziell Außenzahnradpumpen, eignen sich sehr gut für die Anwendung in Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen. Daher ist die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe sehr vorteilhaft in einem Abwärmerückgewinnungssystem verwendbar. Das

Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Die Speisefluidpumpe ist dabei als Außenzahnradpumpe mit den vorhergehend beschriebenen Merkmalen ausgeführt.

Neben der hohen Chemikalienbeständigkeit weist die Außenzahnradpumpe eine robuste Bauart und eine kostengünstige Fertigung auf.

Erfindungsgemäß weist eine Lagerbrille, insbesondere für eine

Außenzahnradpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems, zwei Bohrungen auf. Die Mantelfläche der ersten Bohrung bildet eine erste Lagerfläche, und die Mantelfläche der zweiten Bohrung bildet eine zweite Lagerfläche. Vorzugsweise ist die Lagerbrille dabei einstückig und aus PEEK ausgeführt.

In vorteilhaften Ausführungen hat die Lagerbrille im Wesentlichen die Form einer Acht. Vorzugsweise sind die beiden Bohrungen dabei parallel zueinander angeordnet. Auf einfache Art und Weise kann dadurch eine sehr eng tolerierte Positionierung der beiden Lagerflächen zueinander realisiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Außenzahnradpumpe in Explosionsdarstellung, wobei nur die

wesentlichen Bereich dargestellt sind,

Fig. 2 eine Lagerbrille der Außenzahnradpumpe in perspektivischer Ansicht,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Lagerbrille,

Fig. 4 schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem.

Ausführungsformen der Erfindung

In Fig.1 ist eine erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1 in einer

Explosionsdarstellung gezeigt. Die Außenzahnradpumpe 1 umfasst ein

Pumpengehäuse 2, einen Deckel 3 und einen Bodenflansch 4. Der Deckel 4 und der Bodenflansch 4 sind unter Zwischenlage des Pumpengehäuses 2 durch vier Schrauben 5 miteinander verspannt. Das Pumpengehäuse 2, der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 begrenzen einen Gehäuseinnenraum 6.

In dem Gehäuseinnenraum 6 sind ein erstes Zahnrad 1 1 und ein zweites

Zahnrad 12 kämmend zueinander angeordnet. Das erste Zahnrad 1 1 ist auf einer ersten Welle 21 befestigt und das zweite Zahnrad 12 auf einer zur ersten Welle 21 parallelen zweiten Welle 22. Die erste Welle 21 dient dabei als Antriebswelle und ist mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden, beispielsweise einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Dazu ragt die erste Welle 21 durch den Bodenflansch 4.

Die beiden Wellen 21 , 22 ragen jeweils durch das ihnen zugeordnete Zahnrad 1 1 , 12 und sind mit diesem fest verbunden. Beiderseits der Zahnräder 1 1 , 12 sind die Wellen 21 , 22 gelagert. Erfindungsgemäß erfolgt die Lagerung durch zwei Lagerbrillen 30, 40, wobei die Lagerbrillen 30, 40 in dem

Gehäuseinnenraum 6 angeordnet sind: eine Lagerbrille 30 ist benachbart zum Bodenflansch 4 angeordnet und eine weitere Lagerbrille 40 benachbart zum Deckel 3. Die Lagerbrille 30 lagert die beiden Wellen 21 , 22 antriebsseitig und die weitere Lagerbrille 40 auf der dazu gegenüberliegenden Seite der Zahnräder 1 1 , 12.

Die beiden Lagerbrillen 30, 40 haben jeweils eine Radiallagerfunktion und eine Axiallagerfunktion, wobei die Axiallagerfunktion der beiden Lagerbrillen 30, 40 zueinander entgegengesetzt gerichtet ist. Dazu weist die Lagerbrille 30 stirnseitig eine Anschlagfläche 31 auf und die weitere Lagerbrille 40 stirnseitig eine weitere Anschlagfläche 42. Beide Anschlagflächen 31 , 42 wirken mit beiden Zahnrädern 1 1 , 12 zusammen. Die Anschlagfläche 31 lagert beide Zahnräder 1 1 , 12 in der axialen Richtung zum Bodenflansch 4 orientiert; die weitere Anschlagfläche 42 lagert beide Zahnräder 1 1 , 12 in der axialen Richtung zum Deckel 3 orientiert.

In alternativen Ausführungen können die beiden Wellen auch nur durch eine einzige Lagerbrille 30 gelagert sein, vorzugsweise auf der Antriebsseite bezüglich der Zahnräder 1 1 , 12. Speziell bei Antrieben ohne nennenswerte Querkrafteinträge, beispielsweise über eine Oldham-Kupplung, kann die

Lagerung über eine einzige Lagerbrille 30 aufgrund der Bauraumersparnis vorteilhaft sein. Die zweite Anschlagfläche 42 könnte dann ersatzweise an dem Deckel 3 ausgebildet sein.

Fig.2 zeigt eine Lagerbrille 30, 40 in einer vergrößerten, perspektivischen Ansicht, wobei beide Lagerbrillen 30, 40 identisch ausgeführt sein können. Die Lagerbrille 30, 40 weist zwei Bohrungen auf. Die Mantelfläche der ersten Bohrung bildet eine erste Lagerfläche 35, 45 zur Lagerung der ersten Welle 21 . Die Mantelfläche der zweiten Bohrung bildet eine zweite Lagerfläche 36, 46 zur Lagerung der zweiten Welle 22. Die Lagerflächen 35, 36, 45, 46 können dabei sowohl zylindrisch als auch in axialer Richtung leicht konvex geformt sein.

Vorzugsweise sind beide Bohrungen parallel zueinander angeordnet.

Durch die Anordnung der beiden Bohrungen weist die Lagerbrille 30, 40 im Wesentlichen die Form einer Brille bzw. die Form einer Acht auf.

Weist die Außenzahnradpumpe 1 zwei Lagerbrillen 30, 40 auf so werden die Bezeichnungen folgendermaßen abgegrenzt: Die Lagerbrille 30 erfüllt die Funktion eines Primärlagers für beide Wellen 1 1 , 12. An der Lagerbrille 30 sind die erste Lagerfläche 35 zur Lagerung der ersten Welle 1 1 und die zweite Lagerfläche 36 zur Lagerung der zweiten Welle 12 ausgebildet.

Die weitere Lagerbrille 40 erfüllt die Funktion eines Sekundärlagers für beide Wellen 1 1 , 12. An der weiteren Lagerbrille 40 sind eine erste

Sekundärlagerfläche 45 zur Lagerung der ersten Welle 1 1 und eine zweite Sekundärlagerfläche 46 zur Lagerung der zweiten Welle 12 ausgebildet.

Fig.3 zeigt einen Querschnitt durch eine Lagerbrille 30, 40. Die Bezugszeichen 30, 35, 36 gelten dabei für die Lagerbrille 30 und die Bezugszeichen 40, 45, 46 gelten für die weitere Lagerbrille 40.

Erfindungsgemäß sind die Lagerbrillen 30, 40 einteilig gefertigt. Das heißt: die Lagerflächen 35, 36 bzw. die Sekundärlagerflächen 45, 46 sind aus demselben Material gefertigt und gehören zu demselben Bauteil. Das Material ist

vorteilhafterweise sehr chemikalienbeständig, insbesondere gegenüber Ethanol und Cyclopentan. Vorzugsweise ist als Material für beide Lagerbrillen 30, 40 ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere PEEK (Polyetheretherketon), zu verwenden. Dadurch, dass die beiden Lagerflächen 35, 36 bzw.

Sekundärlagerflächen 45, 46 an einem einzigen Bauteil ausgebildet sind, kann deren Koaxialität in sehr geringen Toleranzen ausgeführt werden.

Dementsprechend wird auch eine hohe Koaxialität zwischen der gelagerten ersten Welle 21 und der gelagerten zweiten Welle 22 erreicht. Verschleiß und Leckage der Außenzahnradpumpe 1 sind somit minimiert.

Weiterhin entfallen für die Außenzahnradpumpe 1 die üblicherweise verwendeten Lagerbuchsen, welche in die Lagerbrillen 30, 40 bzw. in das Pumpengehäuse 2 eingepresst werden.

Fig.4 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110. Der Brennkraftmaschine 110 wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr 112 zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung 111 aus der Brennkraftmaschine 110 abgeführt. Das Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe 102, einen Verdampfer 103, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem Sammelbehälter 101 und eine Ventileinheit 101a in den Kreislauf 100a eingespeist werden. Der Sammelbehälter 101 kann dabei alternativ auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.

Der Verdampfer 103 ist an die Abgasleitung 111 der Brennkraftmaschine 110 angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der

Brennkraftmaschine 110.

Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe 102, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter 101, in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine 110 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine 104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den

Sammelbehälter 101 zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe 102 zugeführt.

Erfindungsgemäß eignen sich die vorangehend beschriebenen

Ausführungsformen der Außenzahnradpumpe 1 sehr gut für die Verwendung als Speisefluidpumpe 102 innerhalb des Abwärmerückgewinnungssystems 100, da das dort verwendete Arbeitsmedium sehr aggressiv ist und die Funktion der chemischen Beständigkeit für die Speisefluidpumpe 102 sehr wichtig ist. Das chemikalienbeständige Material der Lagerbrillen 30, 40 schützt die Lagerbrillen 30, 40 vor Korrosion und verlängert dadurch die Lebensdauer der Lagerflächen 35, 36 und Sekundärlagerflächen 45, 46 und somit auch die Lebensdauer der Außenzahnradpumpe 1, 102 bzw. des gesamten

Abwärmerückgewinnungssystems 100.