WO2018114932A2 - AUßENZAHNRADPUMPE FÜR EIN ABWÄRMERÜCKGEWINNUNGSSYSTEM - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an external gear pump, in particular embodied as a feed fluid pump of a waste heat recovery system of an internal combustion engine.
- Fluid conveying pumps are widely known from the prior art, for example as external gear pumps from the published patent application DE 43 09 859 A1.
- the external gear pump according to the invention has the advantage that it can be used for low-viscosity, poorly lubricating working media. Furthermore, the external gear pump prevents cavitation damage in the plain bearings and can thus also be used for operating temperatures close to the evaporation temperature of the working medium to be pumped. Therefore, the external gear pump is particularly suitable for waste heat recovery systems of internal combustion engines, which often use low-viscosity working media.
- the external gear pump has a housing. The housing limits a working space. In the working space, a first gear arranged on a first shaft and a second gear arranged on a second shaft are meshed with each other. For radial mounting of the two shafts, at least one slide bearing is arranged in each case in the housing. For cooling of the plain bearings in each case a hydraulically connected to the working space annular channel is formed.
- the connection of a gear with a shaft can be both one-piece and two-piece.
- the annular channel the sliding bearing is arranged outside surrounding, ideally by at least 270 ° encircling.
- the sliding bearing is washed around, so that a good heat transfer between the working medium flowing around and the sliding bearing is given by the forced convection.
- the cooling effect for the slide bearing is correspondingly good.
- either one or two plain bearings per shaft are arranged. Cooling reduces cavitation formation on the one hand, and increases the viscosity of the working medium and thus lubricity on the other hand. Both reduce wear in the plain bearings.
- a large convection surface of the annular channel is paired with a high flow rate.
- the plain bearings each comprise a bearing bush, which cooperates radially with the corresponding shaft.
- the ring channels are arranged surrounding the corresponding bushing outside, so an annular channel per bushing.
- the bearing bush is cooled directly on its side facing away from the shaft.
- Ring channels preferably extend at least 270 ° about the associated bearing bush.
- the annular channels are formed over almost the entire length of the corresponding bearing bush. As a result, the bearing bushes are cooled very effectively over the entire bearing lengths.
- the injection channel opens in the direction of rotation of the shaft immediately in front of the pressure field between the
- each annular channel is therefore hydraulically connected to an outlet region of the external gear pump and is fed by it.
- the bearing surface cooperating with the bearing surface of the shaft is contoured, preferably spherical or with edge drop.
- the bearing bush made of SiC (silicon carbide), or PTFE
- the bearing bush is preferably designed as a multi-material bearing, with a steel backing and a thin layer of PTFE for the running surface of the sliding bearing.
- the housing comprises at least one
- Bearing glasses depending on the design of the external gear pump and two bearing glasses. In each bearing glasses while at least one bearing bush, but preferably two bearing bushes are arranged. Thereby, the positioning accuracy of the gears and shafts can be increased. A smoother running and a
- an axial field seal can be arranged between a bearing gland and the further housing.
- the Axialfelddichtungen divide the spaces between the bearing glasses and the other housing each in a low-pressure chamber and a high-pressure chamber.
- the recess is arranged in the radial direction of the respective pressure field of the sliding bearing, directly under the bearing bush.
- the rigidity of the sliding bearing is reduced by eliminating the material support of the bearing glasses for the bearing bush through the recess. This leads to a more homogeneous contact pressure distribution in the pressure field and thus also to a reduction in wear.
- two ring channels are formed in the bearing glasses, per bearing bush a.
- both bearings are arranged in the bearing glasses cooled.
- the supply of the working medium into the two annular channels can then take place, for example, from a common removal point of the working space, for example in the region of the outlet.
- the annular channels can also be formed in the respective bearing bush.
- the housing comprises at least one bearing goggles, wherein at least one, but preferably two bearing bushes, are arranged in the bearing goggles.
- the bearing glasses form a thrust bearing for at least one gear, but advantageously for both gears.
- the thrust bearing forms a leakage path from the working space to the associated annular channel of the sliding bearing. Accordingly, the annular channel is fed with a leakage amount, so that the leakage amount is used for cooling the sliding bearing.
- the annular channel between the sliding bearing and the gear is arranged.
- the annular channel opens into a lubricating gap of the sliding bearing.
- the lubrication gap of the sliding bearing is flushed, resulting in a good temperature dissipation from the sliding bearing and a hydrodynamic lubrication in the contact area.
- External gear pumps are very suitable for use in
- Waste heat recovery systems of internal combustion engines Such waste heat recovery systems often use low viscosity, poorly lubricious working media.
- the external gear pump according to the invention enables good lubrication and cooling of the plain bearings of
- External gear pumps with low-viscosity working media and is thus particularly suitable for low-viscosity working media. Therefore, the external gear pump according to the invention is very advantageous in one
- Waste heat recovery system comprises a working medium leading circuit, wherein the circuit in the flow direction of the working medium comprises a feed fluid pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser.
- the feed fluid pump is designed as an external gear pump according to an embodiment with the features described above.
- Fig. 1 shows an external gear pump of the prior art in
- Fig. 2 is a schematic sectional view through an external gear pump of the prior art.
- Fig. 3 is a schematic section through an inventive
- Fig. 4 shows a cross section through an external gear pump in a further embodiment, wherein only the essential areas are shown.
- Fig. 5 shows the section AA of Figure 4. a perspective view of a cut another
- FIG. 1 a prior art external gear pump 1 is shown in Figs.
- the external gear pump 1 comprises a housing 2, a cover 3 and a bottom flange 4.
- the cover 3 and the bottom flange 4 are clamped together with the interposition of the housing 2 by four screws 5.
- the housing 2, the cover 3 and the bottom flange 4 define a working space 6.
- a first gear 1 1 and a second gear 12 are arranged in mesh with each other. Both gears 1 1, 12 have a certain number of teeth, each with a tooth width or gear width b.
- the first gear 1 1 is mounted on a first shaft 21 and the second
- Gear 12 on a parallel to the first shaft 21 second shaft 22 can also be made in one piece.
- the first shaft 21 is used in the embodiment of Figure 1 as a drive shaft and is connected to a drive, not shown, for example, a crankshaft of an internal combustion engine.
- the first shaft 21 protrudes through the bottom flange. 4
- the two shafts 21, 22 each protrude through their associated gear 1 1, 12 and are firmly connected to this, for example by a respective press fit.
- the shafts 21, 22 are mounted on both sides of the gears 1 1, 12, the shafts 21, 22 are mounted.
- the storage is carried out by two bearing glasses 30, 40, wherein the bearing glasses 30, 40 are arranged in the working space 6: a bearing glasses 30 is disposed adjacent to the bottom flange 4 and another bearing glasses 40 adjacent to the lid 3.
- both bearing glasses 30, 40 are respectively two bushings 9 pressed.
- the bearing bushes 9 of the bearing glasses 30 store the two shafts 21, 22 on the drive side and the bearing bushes 9 of the other bearing glasses 40 on the opposite side of the gears 1 1, 12.
- the bushings. 9 thus form plain bearings for the two shafts 21, 22.
- the two bearing bushes 9 can also be made in one piece with the bearing glasses 30.
- the four bushings 9 each have a radial bearing function and each form
- Axial bearing function is achieved by the two bearing glasses 30, 40:
- the bearing glasses 30 on the front side a stop surface 31 and the other
- Lagerbrille 40 frontally another stop surface 42. Both stop surfaces 31, 42 cooperate with two gears 1 1, 12 together.
- the stop surface 31 supports both gears 1 1, 12 oriented in the axial direction to the bottom flange 4; the further stop surface 42 supports both gears 1 1, 12 oriented in the axial direction to the lid 3.
- Housing 2 arranged: a seal 28 between the housing 2 and the bottom flange 4, and a further seal 29 between the housing 2 and the cover 3. Both seals 28, 29 extend approximately annular over the circumference of the housing 28, 29 and are usually in arranged corresponding grooves.
- a first Axialfelddichtung 18 is disposed between the bearing glasses 30 and the bottom flange 4, and between the other bearing glasses 40 and the lid 3, a second Axialfelddichtung 19 is arranged.
- the two Axialfelddichtonne 18, 19 provide for an axial bearing of the two
- External gear pump 1 in a schematic sectional view.
- an inlet 2a and an outlet 2b are formed, which open on opposite sides in the working space 6.
- a delivery volume V of the working medium is so on the housing wall of the housing 2 between the teeth of the two gears 1 1, 12 from the inlet 2 a to the outlet 2 b promoted.
- the delivery volume V corresponds to the volume delivered in nominal operation of the external gear pump 1, that is, the volume delivered in essential operating points.
- the inlet 2 a thereby forms the suction of the
- External gear pump 1 with a low first pressure level - for example, atmospheric pressure - out, and in the region of the outlet 2b, the pressure range of the external gear pump 1 forms with a higher second
- Pressure level - for example, 40 bar - off.
- Pressure range depends on the following flow topology, for example, from a throttle point.
- the second shaft 22 is formed in the embodiment of DE 43 09 859 A1 as a fixed bearing journal, so that the second gear 12 is mounted on the second shaft 22.
- the lubricating gap 20 between the second gear 12 and the bearing pin 22 is supplied with working fluid.
- 12 connecting channels 90 are formed in the second gear, from the tooth chambers - ie in the region of the tooth roots 12a - to the lubrication gap 20th
- a connecting channel 90 is formed on each tooth root 12a, which is acted upon depending on the rotational angle of the second gear 12 with pressures between the pressure of the inlet 2a and the pressure of the outlet 2b.
- Lubrication gap 20 is thus supplied over its entire circumference with working fluid, which is not required for optimal lubrication effect. This reduces the efficiency of known from the prior art
- very low-viscosity working media such as ethanol, refrigerant or water are used in waste heat recovery systems.
- the bad tribological state of the heavily loaded bearings is restricted.
- the bad tribological state of the heavily loaded bearings is based, among other things, on the following points:
- the object of this invention is to improve the tribological state in the bearings by a specific design of the bearings, namely by:
- FIG 3 shows a section through the bearing glasses 30 of an external gear pump 1 according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
- bearing glasses 30 Shown is only the bearing glasses 30 with the two shafts 21, 22 and in each case an associated bearing bush 91, 93.
- the bearing bush 91 forms with the first shaft 21 from a sliding bearing 71
- the bearing bush 93 forms with the second shaft 22, a further sliding bearing 73rd out.
- each one Lubrication gap 71 a, 73 a formed, softer may also be referred to as a bearing clearance.
- the two shafts 21, 22 are approximately positioned in FIG. 3, as they are due to the delivery pressure in the outlet 2b during operation of the
- External gear pump 1 sets.
- Per slide bearing 71, 73, a pressure field p71, p73 builds up between shaft 21, 22 and bearing bush 91, 93, which is dependent on the rotational speed, the temperature-dependent viscosity of the working medium and the pressure conditions.
- the respective pressure field p71, p73 results due to the hydraulically resulting forces Fres, 71, Fres, 73, which due to the
- the sliding bearing 71 is cooled by the working fluid is passed in a concentrically arranged around the sliding bearing 71 annular channel 32_1.
- the annular channel 32_1 can be formed as shown in Figure 3, namely over the entire circumference of the sliding bearing 71, or alternatively over only a portion of the circumference, but preferably over more than 180 °, to a correspondingly large area for the heat transfer to realize.
- the annular channel 32_1 can also be designed helically over a plurality of revolutions of the sliding bearing 71.
- the annular channel 32_1 may be formed in the bearing gland 30 or in the bearing bush 91 and is formed over a bearing in the glasses 30 Supply channel 31 1 supplied with working fluid.
- the feed channel 31 1 branches from
- Smearing gap 71 a causes.
- the working fluid is injected from the annular channel 32_1 via a formed in the bearing bush 91 injection channel 33_1 in the lubrication gap 71 a.
- the injection channel 33_1 is positioned so that it is arranged in the direction of rotation R21 of the shaft 21 immediately before the pressure field p71. As a result, the working fluid is drawn directly into the lubricating gap 71 a by the rotation of the shaft 21. Viewed in the axial direction of the shaft 21, the injection channel 33_1 can be moved in the middle of the sliding bearing 71 or to the highest loaded contact point.
- the cooling for the slide bearing 71 described by the annular channel 32_1 and subsequent injection of the working medium through the injection channel 33_1 before the pressure field p71 is designed analogously for the other plain bearings 72, 73, 74 of the external gear pump 1. Exemplary are for the further
- the bearing bush 91 is preferably made of a ceramic, preferably SiC (silicon carbide), or PTFE (polytetrafluoroethylene).
- SiC silicon carbide
- PTFE polytetrafluoroethylene
- the bearing bush 91 is designed comparatively low, is also highly thermally conductive and has a low to the shaft 21 coefficient of friction.
- a PTFE layer on a steel beam is conceivable. Is the bushing 91 made of a ceramic, so are their pores
- Reibmindernden components such as PTFE.
- another bearing glasses 40 apply to the other bearing glasses 40 analogous to their bearings 72, 74 and their
- Fig.4 shows the example of the first wave 21 additional measures to improve the tribology in the lubrication gaps 71 a, 72 a of the two
- Plain bearings 71, 72 for the first shaft 21st The first shaft 21 has on both sides of the first gear 1 1 each have a sliding bearing 71, 72.
- the sliding bearing 71 is disposed in the bearing glasses 30, and the other sliding bearing 72 is disposed in the further bearing glasses 40.
- the bearing bush 91 is pressed, which with the first
- Shaft 21 forms the sliding bearing 71, with the associated lubrication gap 71 a.
- the further bearing bush 92 is pressed, which forms the further sliding bearing 72 with the first shaft 21, with the associated lubricating gap 72 a.
- Gear 1 facing away regions of the sections 21_1, 21_2 necessary to compensate for misalignments of the shaft 21 in the plain bearings 71, 72, or
- the two subregions 21_1, 21_2 are each provided with a symmetrical, that is to say bilateral, crown. Accordingly, the two running surfaces 21 1, 212 have a convex shape on average.
- the recesses 30_1, 40_2 in the areas of the pressure fields p71, p72 are arranged.
- the bearing bushes 91, 92 can continue to deflect under load in these areas, since the supporting rigidity of the bearing glasses 30,
- Contours of the treads 21 1, 212 of the first shaft 21 adapt, resulting in a further reduction of the edge support.
- the result is advantageous, comparatively homogeneous pressure fields p71, p72.
- Ring channel 32_1 by about 270 ° of the bearing bush 91 extends.
- the injection channel 33_1 is arranged in the direction of rotation R21 in front of the pressure field p71.
- the recess 30_1 is formed in the bearing goggles 30 under the pressure field p71, so that in this area the supporting rigidity of the bearing gland 30 for the bearing bush 91 is missing.
- the recesses 30_1, 40_2 in the two bearing glasses 30, 40 preferably extend over almost the entire length of the associated sliding bearing 71,
- the recesses 30_1, 40_2 are also flushed through with working medium in each case. Accordingly, in these embodiments, the recess 30_1 part of the annular channel 32_1, so assigned to the sliding bearing 71, and the recess 40_2 is part of the
- Ring channel 32_2 so associated with the sliding bearing 72.
- Bearing bushes 91, 92 reached and thus reduces the maximum contact pressure or a more uniform surface pressure achieved, which in turn the
- the bearing bushes 91, 92 made of a good heat conducting material such as SiC (silicon carbide) or PTFE (polytetrafluoroethylene), so that especially in the region of the recesses 30_1, 40_2 a large heat flow through the wall thickness of the bearing bushes 91, 92 outwardly into the annular channel 32_1, 32_2 can take place.
- the illustrated embodiments can analogously of course also be applied to the second shaft 22 and the other bearing glasses 40.
- all four bearings 71, 72, 73, 74 can be designed according to the foregoing.
- FIG. 6 shows by way of example the sliding bearing 71 in a further embodiment in a perspective view with a section, wherein only the essential areas are shown.
- the first gear 1 1 is made in one piece with the first shaft 21;
- gear 1 1 and shaft 21 may also be two components, which are firmly connected, for example by means of a press fit. In the axial direction, the first gear 1 1 between the two
- Bearing glasses 30, 40 are arranged so that the bearing glasses 30, 40 form the axial bearing for the first gear 1 1.
- the two bearing glasses 30, 40 are made in two parts, each with a stop plate 39, 49.
- the first gear 1 1 acts accordingly with the two stop plates 39, 49 together.
- the execution of the bearing glasses 30, 40 also be made in one piece.
- the annular channel 32_1 is not arranged surrounding the bearing bush 91, but is formed in the radial direction between the shaft 21 and the stop plate 39 and adjoins the bearing bush 91 in the axial direction.
- the annular channel 32_1 is not supplied with working medium via a specially designed supply channel, but via the Leakage paths 34_1.
- the leakage paths 34_1 lead from the tooth chambers 1 1 a of the first gear 1 1, in particular of the tooth chambers 1 1 a in
- Lubrication gap 71 a effluent working medium not.
- the annular channel 32_1 is not connected to the low-pressure region of the external gear pump 1 or only connected to it via the leakage paths 34_1, so that the pressure conditions result in a flow through the sliding bearing 71 with a sufficient amount of working medium.
- Leakage paths 34_1 pushes or flushes thus so the relatively hot working fluid from the lubrication gap 71 a of the sliding bearing 71. This is the
- Storage temperature is reduced while preventing thermal damage to the radial sliding bearing 71.
- the tribological state in the radial sliding bearing 71 is improved.
- High pressure side of the external gear pump 1 - ie from the area of the outlet 2b - additional working fluid in the lubrication gaps 71 a, 72 a, 73 a, 74 a is introduced. It is particularly useful here if the channels are designed with the smallest possible cross-sections. Thus, only very small particles in the narrow radial lubrication gaps 71 a, 72 a, 73 a, 74 a pressed, larger particles, however, withheld or filtered.
- the illustrated external gear pump 1 is very well suited for low-lubricating, low-viscosity working media, as they are for example in
- Waste heat recovery systems are used for internal combustion engines.
- the inventive concepts are used for internal combustion engines.
- External gear pump 1 is therefore arranged in a waste heat recovery system of an internal combustion engine.
- the internal combustion engine is supplied with oxygen via an air supply; after the combustion process
- the waste heat recovery system has a leading a working medium
- Circuit which comprises in the flow direction of the working medium, a feed fluid pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser.
- the working medium can be made as needed via a spur line from a
- Sump and a valve unit are fed into the circuit.
- the collecting container can alternatively be integrated into the circulation.
- the evaporator is connected to the exhaust pipe of the internal combustion engine, thus uses the heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine.
- Liquid working fluid is conveyed through the feed fluid pump, possibly from the reservoir into the evaporator and there through the Heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine evaporates.
- the vaporized working medium is then in the expansion machine under release of mechanical energy, for example, to a generator, not shown, or to a non-illustrated transmission relaxed. Subsequently, the working medium in the condenser is liquefied again and returned to the collecting container or fed to the feed fluid pump.
- the feed fluid pump of the waste heat recovery system is an external gear pump 1 according to one of the above embodiments. These are particularly well suited for a waste heat recovery system, as they are also suitable for poorly lubricated working media with very low viscosities.
- Plain bearings 71, 72, 73, 74, the plain bearings 71, 72, 73, 74 are flushed with working fluid and cooled.
- the external gear pump 1 is also suitable for operating temperatures which are close to the evaporation temperature of the working medium, since the flushing of the plain bearings 71, 72, 73, 74 prevents a temperature increase to evaporation temperature and thus the risk of cavitation erosion in the plain bearings 71, 72, 73, 74 minimized.
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Abstract
Außenzahnradpumpe mit einem Gehäuse. Das Gehäuse begrenzt einen Arbeitsraum. In dem Arbeitsraum sind ein auf einer ersten Welle angeordnetes erstes Zahnrad und ein auf einer zweiten Welle angeordnetes zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Zur radialen Lagerung der beiden Wellen ist jeweils mindestens ein Gleitlager in dem Gehäuse angeordnet. Zur Kühlung der Gleitlager ist jeweils ein hydraulisch mit dem Arbeitsraum verbundener Ringkanal ausgebildet.
Description
Beschreibung
Titel
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 43 09 859 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 auch mit aggressiven Arbeitsmedien von Abwärmerückgewinnungssystemen, welche insbesondere eine sehr niedrige Viskosität aufweisen, mit möglichst langer Lebensdauer betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe hat demgegenüber den Vorteil, dass sie für niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien eingesetzt werden kann. Weiterhin vermeidet die Außenzahnradpumpe Kavitationsschäden in den Gleitlagern und kann so auch für Betriebstemperaturen nahe an der Verdampfungstemperatur des zu fördernden Arbeitsmediums eingesetzt werden.
Daher eignet sich die Außenzahnradpumpe insbesondere für Abwärmerückgewinnungssysteme von Brennkraftmaschinen, welche oft niederviskose Arbeitsmedien verwenden. Dazu weist die Außenzahnradpumpe ein Gehäuse auf. Das Gehäuse begrenzt einen Arbeitsraum. In dem Arbeitsraum sind ein auf einer ersten Welle angeordnetes erstes Zahnrad und ein auf einer zweiten Welle angeordnetes zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Zur radialen Lagerung der beiden Wellen ist jeweils mindestens ein Gleitlager in dem Gehäuse angeordnet. Zur Kühlung der Gleitlager ist jeweils ein hydraulisch mit dem Arbeitsraum verbundener Ringkanal ausgebildet. Die Verbindung eines Zahnrads mit einer Welle kann dabei sowohl einstückig als auch zweistückig sein.
Vorzugsweise ist der Ringkanal das Gleitlager außen umgebend angeordnet, idealerweise um mindestens 270° umlaufend. Dadurch wird das Gleitlager umspült, so dass durch die erzwungene Konvektion ein guter Wärmeübergang zwischen dem umströmendem Arbeitsmedium und dem Gleitlager gegeben ist. Entsprechend gut ist der Kühleffekt für das Gleitlager. Je nach Bauart der Außenzahnradpumpe sind vorteilhafterweise entweder ein oder zwei Gleitlager pro Welle angeordnet. Durch die Kühlung wird einerseits die Kavitationsbildung verringert, und andererseits wird die Viskosität des Arbeitsmediums und damit die Schmierfähigkeit erhöht. Beides reduziert den Verschleiß in den Gleitlagern. Vorteilhaft ist dabei eine große Konvektionsfläche des Ringkanals gepaart mit einer hohen Durchströmung.
In vorteilhaften Ausführungen umfassen die Gleitlager jeweils eine Lagerbuchse, welche mit der entsprechenden Welle radial zusammenwirkt. Dadurch ist ein leistungsfähiges und dennoch günstiges Gleitlager realisiert, welches gut zu kühlen ist.
Vorzugsweise sind die Ringkanäle die entsprechende Lagerbuchse außen umgebend angeordnet, also ein Ringkanal pro Lagerbuchse. Dadurch wird die Lagerbuchse direkt an ihrer der Welle abgewandten Seite gekühlt. Die
Ringkanäle verlaufen dabei vorzugsweise um mindestens 270° um die zugeordnete Lagerbuchse.
In vorteilhaften Ausführungen sind die Ringkanäle über nahezu die gesamte Länge der entsprechenden Lagerbuchse ausgebildet. Dadurch werden die Lagerbuchsen sehr wirksam über die gesamten Lagerlängen gekühlt. In vorteilhaften Ausbildungen ist in der Lagerbuchse ein hydraulisch mit dem
Ringkanal verbundener Einspritzkanal ausgebildet. Der Einspritzkanal mündet in Rotationsrichtung der Welle unmittelbar vor dem Druckfeld zwischen der
Lagerbuchse und der Welle in den entsprechenden Schmierspalt des Gleitlagers. Dadurch wird die zunächst zur Kühlung des Gleitlagers verwendete Menge des Arbeitsmediums anschließend in den Schmierspalt zur Schmierung des Kontakts zischen Welle und Lagerbuchse eingespritzt. Idealerweise bildet sich so unmittelbar vor dem Kontakt zwischen Welle und Lagerbuchse ein Schmierkeil aus, welcher quasi in den Kontakt, also in das Druckfeld eingezogen wird.
Dadurch werden die tribologischen Bedingungen im Kontakt verbessert, idealerweise wird ein hydrodynamischer Kontakt erzielt. Entsprechend wird der
Verschleiß des Gleitlagers verringert und demzufolge die Lebensdauer des Gleitlagers erhöht. Selbstverständlich kann diese Ausführung für alle Gleitlager der Außenzahnradpumpe umgesetzt werden. Vorzugsweise werden die Ringkanäle der Gleitlager dabei mit Arbeitsmedium aus dem Druckbereich der Außenzahnradpumpe versorgt, um das
Arbeitsmedium unter Druck in den Schmierspalt einspritzen zu können und so die Hydrodynamik zu verbessern. Vorzugsweise ist jeder Ringkanal also hydraulisch mit einem Auslassbereich der Außenzahnradpumpe verbunden und wird durch diesen gespeist.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist die mit der Lagerbuchse zusammenwirkende Lauffläche der Welle konturiert, vorzugsweise ballig oder mit Kantenabfall.
Dadurch wird eine vergleichsweise homogene Kontaktdruckverteilung zwischen Welle und Lagerbuchse erzielt, Druckpeaks - insbesondere Kantenträger - werden verhindert. Demzufolge ist der Verschleiß der beiden kontaktierenden Bauteile minimiert. Alternativ kann auch die Lagerbuchse mit einer
entsprechenden Kontur versehen sein. Vorzugsweise ist die Lagerbuchse aus SiC (Siliziumcarbid), oder PTFE
(Polytetrafluorethylen) ausgeführt, da dies besonders gute tribologische
Eigenschaften zur Folge hat, insbesondere einen reduzierten Reibwert. Die aktive Kühlung des Gleitlagers durch den Ringkanal ermöglicht ein
vergleichsweise günstigeres Lagermaterial für die Lagerbuchse. Andernfalls müssten sehr hochwertige, robuste Materialien eingesetzt werden, die der mechanischen und thermischen Belastung widerstehen können. Im Falle der Verwendung von PTFE ist die Lagerbuchse vorzugsweise als Mehrstofflager ausgeführt, mit einem Stahlrücken und einer dünnen Schicht aus PTFE für die Lauffläche des Gleitlagers.
In vorteilhaften Weiterbildungen umfasst das Gehäuse zumindest eine
Lagerbrille, je nach Bauart der Außenzahnradpumpe auch zwei Lagerbrillen. In jeder Lagerbrille sind dabei zumindest eine Lagerbuchse, vorzugsweise jedoch zwei Lagerbuchsen angeordnet. Dadurch kann die Positioniergenauigkeit der Zahnräder und Wellen erhöht werden. Eine größere Laufruhe und ein
verminderter Verschleiß sind die Folge.
Vorteilhafterweise kann eine Axialfelddichtung zwischen einer Lagerbrille und dem weiteren Gehäuse angeordnet sein. Die Axialfelddichtungen unterteilen die Räume zwischen der Lagerbrille und dem weiteren Gehäuse jeweils in einen Niederdruckraum und einen Hochdruckraum. Durch das Prinzip der
Außenzahnradpumpe unterliegen die Stirnseiten der Zahnräder lokal unterschiedlichen Fluiddrücken in dem Spalt zwischen den Zahnrädern und der zugehörigen Lagerbrille. Dementsprechend würde der Spalt im Bereich höherer Drücke größer sein als im Bereich niedriger Drücke. Diesem Effekt wird entgegengesteuert, indem die Rückseite der Lagerbrille mit einer ähnlichen Druckbelastung beaufschlagt wird, wie die den Zahnrädern zugewandte
Vorderseite der Lagerbrille. Dies wird durch die Axialfelddichtung erreicht, welche die Rückseite einer Lagerbrille in einen Hochdruckbereich und einen
Niederdruckbereich unterteilt. Dadurch ist die Lagerbrille quasi
druckausgeglichen und vorzugsweise stellt sich so ein über den Umfang der Zahnräder konstanter Spalt von den Zahnrädern zu den Lagerbrillen ein. Im Fall der Verwendung von zwei Lagerbrillen kann selbstverständlich auch für die weitere Lagerbrille eine entsprechende weitere Axialfelddichtung verwendet werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Lagerbrille pro Gleitlager eine
Ausnehmung ausgebildet. Die Ausnehmung ist in radialer Richtung des jeweiligen Druckfelds des Gleitlagers angeordnet, und zwar direkt unter der Lagerbuchse. Dadurch wird im Bereich des Druckfeldes die Steifigkeit des Gleitlagers verringert, indem durch die Ausnehmung die Materialunterstützung der Lagerbrille für die Lagerbuchse entfällt. Dies führt zu einer homogeneren Kontaktdruckverteilung im Druckfeld und somit auch zu einer Verringerung des Verschleißes.
Vorteilhafterweise sind in der Lagerbrille zwei Ringkanäle ausgebildet, pro Lagerbuchse einer. Dadurch werden beide in der Lagerbrille angeordneten Gleitlager gekühlt. Die Zufuhr des Arbeitsmediums in die beiden Ringkanäle kann dann beispielsweise aus einer gemeinsamen Entnahmestelle des Arbeitsraums, beispielsweise im Bereich des Auslasses erfolgen. Alternativ oder ergänzend können die Ringkanäle auch in der jeweiligen Lagerbuchse ausgebildet sein.
In einer weiteren alternativen Ausführung umfasst das Gehäuse zumindest eine Lagerbrille, wobei zumindest eine, vorzugsweise jedoch zwei Lagerbuchsen, in der Lagerbrille angeordnet sind. Die Lagerbrille bildet ein Axiallager für zumindest ein Zahnrad aus, vorteilhafterweise jedoch für beide Zahnräder.
Dadurch werden zum einen Positionsfehler minimiert, wie oben beschrieben. Zum anderen übernimmt die Lagerbrille weiterhin die Funktion eines bzw. zweier Axiallager.
Vorteilhafterweise bildet das Axiallager einen Leckagepfad von dem Arbeitsraum zu dem zugeordneten Ringkanal des Gleitlagers aus. Demzufolge wird der Ringkanal mit einer Leckagemenge gespeist, so dass die Leckagemenge zur Kühlung des Gleitlagers verwendet wird.
In vorteilhaften Ausführungen ist der Ringkanal zwischen dem Gleitlager und dem Zahnrad angeordnet. Vorzugsweise mündet der Ringkanal dabei in einen Schmierspalt des Gleitlagers. Durch diese Anordnung wird der Schmierspalt des Gleitlagers durchspült, was zu einer guten Temperaturabfuhr aus dem Gleitlager und zu einer hydrodynamischen Schmierung im Kontaktbereich führt.
Außenzahnradpumpen eignen sich sehr gut für die Anwendung in
Abwärmerückgewinnungssystemen von Brennkraftmaschinen. Derartige Abwärmerückgewinnungssysteme verwenden oft niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien. Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe ermöglicht eine gute Schmierung und Kühlung der Gleitlager von
Außenzahnradpumpen mit niederviskosen Arbeitsmedien und ist somit insbesondere für niederviskose Arbeitsmedien geeignet. 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 nach einer Ausführung mit den vorhergehend beschriebenen Merkmalen ausgeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Außenzahnradpumpe des Stands der Technik in
Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereich dargestellt sind.
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Außenzahnradpumpe aus dem Stand der Technik.
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Außenzahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Außenzahnradpumpe in einer weiteren Ausführung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Fig. 5 den Schnitt A-A der Fig.4. eine perspektivische Ansicht einer geschnittenen weiteren
erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Ausführungsformen der Erfindung In Fig.1 ist eine Außenzahnradpumpe 1 aus dem Stand der Technik in einer
Explosionsdarstellung gezeigt. Die Außenzahnradpumpe 1 umfasst ein Gehäuse 2, einen Deckel 3 und einen Bodenflansch 4. Der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 sind unter Zwischenlage des Gehäuses 2 durch vier Schrauben 5 miteinander verspannt. Das Gehäuse 2, der Deckel 3 und der Bodenflansch 4 begrenzen einen Arbeitsraum 6.
In dem Arbeitsraum 6 sind ein erstes Zahnrad 1 1 und ein zweites Zahnrad 12 kämmend miteinander angeordnet. Beide Zahnräder 1 1 , 12 weisen dabei eine gewisse Anzahl von Zähnen mit jeweils einer Zahnbreite bzw. Zahnradbreite b auf. 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. Alternativ können je ein Zahnrad und je eine Welle auch einteilig ausgeführt sein. Die erste Welle 21 dient in der Ausführung der Fig.1 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, beispielsweise durch je einen Pressverband. Beiderseits der Zahnräder 1 1 , 12 sind die Wellen 21 , 22 gelagert. Die Lagerung erfolgt durch zwei Lagerbrillen 30, 40, wobei die Lagerbrillen 30, 40 in dem Arbeitsraum 6 angeordnet sind: eine Lagerbrille 30 ist benachbart zum Bodenflansch 4 angeordnet und eine weitere Lagerbrille 40 benachbart zum Deckel 3. In beiden Lagerbrillen 30, 40 sind jeweils zwei Lagerbuchsen 9 eingepresst. Die Lagerbuchsen 9 der Lagerbrille 30 lagern die beiden Wellen 21 , 22 antriebsseitig und die Lagerbuchsen 9 der weiteren Lagerbrille 40 auf der dazu gegenüberliegenden Seite der Zahnräder 1 1 , 12. Die Lagerbuchsen 9
bilden somit Gleitlager für die beiden Wellen 21 , 22 aus. Alternativ können die zwei Lagerbuchsen 9 auch einteilig mit der Lagerbrille 30 ausgeführt werden. Gleiches gilt auch für die weitere Lagerbrille 40. Die vier Lagerbuchsen 9 haben jeweils eine Radiallagerfunktion und bilden jeweils ein Gleitlager mit der ihnen zugeordneten Welle 21 , 22. Die
Axiallagerfunktion wird durch die beiden Lagerbrillen 30, 40 erreicht: 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. Zur Abdichtung des Arbeitsraums 6 zur Umgebung sind zwei Dichtungen am
Gehäuse 2 angeordnet: Eine Dichtung 28 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Bodenflansch 4, und eine weitere Dichtung 29 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Deckel 3. Beide Dichtungen 28, 29 verlaufen etwa ringförmig über den Umfang des Gehäuses 28, 29 und sind üblicherweise in entsprechenden Nuten angeordnet.
Weiterhin ist zwischen der Lagerbrille 30 und dem Bodenflansch 4 eine erste Axialfelddichtung 18 angeordnet, und zwischen der weiteren Lagerbrille 40 und dem Deckel 3 ist eine zweite Axialfelddichtung 19 angeordnet. Die beiden Axialfelddichtungen 18, 19 stellen zum einen eine axiale Lagerung der beiden
Lagerbrillen 30, 40 innerhalb des Gehäuses 2 dar. Zum anderen werden die Stirnseiten bzw. Rückseiten der beiden Lagerbrillen 30, 40 dadurch
drehwinkelabhängig entweder mit dem Druckniveau des Druckbereichs oder mit dem Druckniveau des Saugbereichs beaufschlagt.
Fig.2 zeigt das Wirkprinzip der aus der DE 43 09 859 A1 bekannten
Außenzahnradpumpe 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. In dem Gehäuse 2 sind ein Einlass 2a und ein Auslass 2b ausgebildet, welche an gegenüberliegenden Seiten in den Arbeitsraum 6 münden. Ein Fördervolumen V des Arbeitsmediums wird so an der Gehäusewand des Gehäuses 2 zwischen den Zähnen der beiden Zahnräder 1 1 , 12 vom Einlass 2a zum Auslass 2b
gefördert. Das Fördervolumen V entspricht dabei dem geförderten Volumen im Nennbetrieb der Außenzahnradpumpe 1 , das heißt dem geförderten Volumen in wesentlichen Betriebspunkten. Im Bereich des Einlasses 2a bildet sich dadurch der Saugbereich der
Außenzahnradpumpe 1 mit einem niedrigen ersten Druckniveau - beispielsweise Atmosphärendruck - aus, und im Bereich des Auslasses 2b bildet sich der Druckbereich der Außenzahnradpumpe 1 mit einem höheren zweiten
Druckniveau - beispielsweise 40 bar - aus. Das zweite Druckniveau des
Druckbereichs hängt dabei von der nachfolgenden Strömungstopologie ab, beispielsweise von einer Drosselstelle.
Die zweite Welle 22 ist in der Ausführung der DE 43 09 859 A1 als feststehender Lagerzapfen ausgebildet, so dass das zweite Zahnrad 12 auf der zweiten Welle 22 gelagert ist. Zur hydrostatischen Lagerung des zweiten Zahnrads 12 auf dem
Lagerzapfen 22 wird der Schmierspalt 20 zwischen dem zweiten Zahnrad 12 und dem Lagerzapfen 22 mit Arbeitsmedium versorgt. Dazu sind in dem zweiten Zahnrad 12 Verbindungskanäle 90 ausgebildet, und zwar von den Zahnkammern - also im Bereich der Zahnfüße 12a - zu dem Schmierspalt 20.
Somit ist an jedem Zahnfuß 12a ein Verbindungskanal 90 ausgebildet, der je nach Drehwinkel des zweiten Zahnrads 12 mit Drücken zwischen dem Druck des Einlasses 2a und dem Druck des Auslasses 2b beaufschlagt ist. Der
Schmierspalt 20 wird somit über seinen gesamten Umfang mit Arbeitsmedium versorgt, was für eine optimale Schmierwirkung nicht erforderlich ist. Dies reduziert den Wirkungsgrad der aus dem Stand der Technik bekannten
Außenzahnradpumpe 1 .
In der Regel werden bei Abwärmerückgewinnungssystemen sehr niederviskose Arbeitsmedien wie beispielsweise Ethanol, Kältemittel oder Wasser eingesetzt.
Das bedeutet für die Tribostellen der Speisefluidpumpe des
Abwärmerückgewinnungssystems eine enorme Herausforderung. Insbesondere die Lagerungen werden hier sehr stark belastet. Problematisch hierbei ist auch, dass die Lagerwerkstoffe häufig inkompatibel mit den sehr aggressiven
Arbeitsmedien sind, wodurch die Materialwahl der Lagerungen stark
eingeschränkt ist.
Der schlechte tribologische Zustand der hoch belasteten Lagerungen beruht unter anderem auf folgenden Punkten:
Potenziell hohe Temperaturen durch die Reibleistung in den Lagerungen und damit noch stärker abfallender Viskosität.
Schlechte Temperaturableitung aus den Lagerungen.
Hohe Flächenpressungen in den Lagerungen, oft auch annähernd punktuelle
Kontakte durch Kantenträger.
Dies alles kann zu unzulässigen tribologischen Zuständen in den Lagerungen führen und demzufolge zu Ausfällen der Lagerungen durch Verschleiß, Fresser und lokalem Aufschmelzen. Gegenstand dieser Erfindung ist es, durch ein gezieltes Design der Lagerungen den tribologischen Zustand in den Lagerungen zu verbessern, und zwar durch:
Kühlung nahe bei der Lagerung,
optimale Material wähl und
- Konturierung der Welle mittels Kantenabfall oder Balligkeit.
Mit diesen Maßnahmen kann das Lagerspiel reduziert werden, was sich positiv auf die Sommerfeldzahl und damit auf die Hydrodynamik in den Lagerungen auswirkt.
In den nachfolgenden Figuren sind Ausführungen zu erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpen dargestellt.
Fig.3 zeigt einen Schnitt durch die Lagerbrille 30 einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe 1 , wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Dargestellt ist lediglich die Lagerbrille 30 mit den beiden Wellen 21 , 22 und jeweils einer zugehörigen Lagerbuchse 91 , 93. Die Lagerbuchse 91 bildet mit der ersten Welle 21 ein Gleitlager 71 aus, und die Lagerbuchse 93 bildet mit der zweiten Welle 22 ein weiteres Gleitlager 73 aus. In den Gleitlagern 71 , 73 ist zwischen der Welle 21 , 22 und der zugehörigen Lagerbuchse 91 , 93 jeweils ein
Schmierspalt 71 a, 73a ausgebildet, weicher auch als Lagerspiel bezeichnet werden kann.
Die beiden Wellen 21 , 22 sind in der Fig.3 etwa so positioniert, wie es sich aufgrund des Förderdrucks im Auslass 2b während des Betriebs der
Außenzahnradpumpe 1 einstellt. Pro Gleitlager 71 , 73 baut sich zwischen Welle 21 , 22 und Lagerbuchse 91 , 93 ein Druckfeld p71 , p73 auf, welches abhängig von der Drehzahl, der temperaturabhängigen Viskosität des Arbeitsmediums und den Druckverhältnissen ist. Das jeweilige Druckfeld p71 , p73 ergibt sich dabei infolge der hydraulisch resultierenden Kräfte Fres,71 , Fres,73, welche sich infolge der
Drücke im Einlass 2a, im Auslass 2b und in den Bereichen dazwischen einstellen. Zur Veranschaulichung wurde in der Fig.3 nur das Druckfeld p71 im Gleitlager 71 zwischen der ersten Wellen 21 und der Lagerbuchse 91 dargestellt. Ein hydrodynamisches Druckfeld p71 kann erst bei hohen Drehzahlen erwartet werden. Ohne ein hydrodynamisches Aufschwimmen entsteht auf diesem Punkt / auf dieser Berührlinie zwischen Welle 21 und Lagerbuchse 91 aufgrund der Festkörperreibung eine hohe Temperatur, welche sogar zum Verdampfen des Arbeitsmediums führen kann und damit noch schlechter schmiert und sogar Kavitationsschäden zur Folge haben kann. Ziel ist es daher kühles
Arbeitsmedium im Schmierspalt 71 a zu bekommen bzw. über die Lagerbuchse 91 Wärme abzuführen, um die Viskosität des Arbeitsmediums zu erhöhen und Kavitation zu verhindern. Das Gleitlager 71 wird gekühlt, indem das Arbeitsmedium in einem konzentrisch um das Gleitlager 71 angeordneten Ringkanal 32_1 geleitet wird. Der Ringkanal 32_1 kann dabei so ausgebildet sein, wie in Fig.3 dargestellt, nämlich über den gesamten Umfang des Gleitlagers 71 , oder alternativ über nur einen Teil des Umfangs, vorzugsweise aber über mehr als 180°, um eine entsprechend große Fläche für den Wärmeübergang zu realisieren. In weiteren Ausführungen kann der Ringkanal 32_1 auch schraubenförmig über mehrere Umdrehungen des Gleitlagers 71 ausgeführt sein. Damit würde quasi eine flächenförmige Kühlung der Lagerbuchse 91 erreicht. Der Ringkanal 32_1 kann in der Lagerbrille 30 oder in der Lagerbuchse 91 ausgebildet sein und wird über einen in der Lagerbrille 30 ausgebildeten
Zuführkanal 31 1 mit Arbeitsmedium versorgt. Der Zuführkanal 31 1 zweigt vom
Arbeitsraum 6 ab, vorzugsweise vom Auslass 2b, so dass das Arbeitsmedium im Ringkanal 32_1 unter Druck steht, und eine gute Durchspülung des
Schmierspalts 71 a bewirkt. Das Arbeitsmedium wird aus dem Ringkanal 32_1 über einen in der Lagerbuchse 91 ausgebildeten Einspritzkanal 33_1 in den Schmierspalt 71 a eingespritzt. Der Einspritzkanal 33_1 ist dabei so positioniert, dass er in Rotationsrichtung R21 der Welle 21 unmittelbar vor dem Druckfeld p71 angeordnet ist. Dadurch wird das Arbeitsmedium direkt in den Schmierspalt 71 a durch die Drehung der Welle 21 hineingezogen. In axialer Richtung der Welle 21 betrachtet kann der Einspritzkanal 33_1 in der Mitte des Gleitlagers 71 oder aber zum höchstbelasteten Berührpunkt verschoben werden.
Die für das Gleitlager 71 beschriebene Kühlung durch den Ringkanal 32_1 und anschließende Einspritzung des Arbeitsmediums durch den Einspritzkanal 33_1 vor dem Druckfeld p71 ist analog auch für die weiteren Gleitlager 72, 73, 74 der Außenzahnradpumpe 1 gestaltet. Beispielhaft sind dazu für das weitere
Gleitlager 73 die entsprechenden Kanäle Ringkanal 32_3, Zuführkanal 31_3 und Einspritzkanal 33_3 dargestellt.
Als zusätzliche Maßnahme ist die Lagerbuchse 91 vorzugsweise aus einer Keramik, vorzugsweise SiC (Siliziumcarbid), oder PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgeführt. Dadurch ist die Lagerbuchse 91 vergleichsweise günstig ausgeführt, ist zudem stark wärmeleitend und weist einen zur Welle 21 niedrigen Reibwert auf. Alternativ ist auch eine PTFE-Schicht auf einem Stahlträger denkbar. Ist die Lagerbuchse 91 aus einer Keramik ausgeführt, so sind deren Poren
vorzugsweise mit reibmindernden Bestandteilen, beispielsweise PTFE imprägniert.
Im Falle von zwei Gleitlagern 71 , 72, 73, 74 pro Welle 21 , 22 und
dementsprechend einer weiteren Lagerbrille 40 gelten für die weitere Lagerbrille 40 analoge Ausführungen zu deren Gleitlagern 72, 74 und zu deren
Lagerbuchsen 92, 94.
Fig.4 zeigt am Beispiel der ersten Welle 21 zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Tribologie in den Schmierspalten 71 a, 72a der beiden
Gleitlager 71 , 72 für die erste Welle 21 . Die erste Welle 21 weist beiderseits des
ersten Zahnrads 1 1 jeweils ein Gleitlager 71 , 72 auf. Das Gleitlager 71 ist in der Lagerbrille 30 angeordnet, und das weitere Gleitlager 72 ist in der weiteren Lagerbrille 40 angeordnet. In der Lagerbrille 30 ist die Lagerbuchse 91 eingepresst, welche mit der ersten
Welle 21 das Gleitlager 71 ausbildet, mit dem zugehörigen Schmierspalt 71 a. In der weiteren Lagerbrille 40 ist die weitere Lagerbuchse 92 eingepresst, welche mit der ersten Welle 21 das weitere Gleitlager 72 ausbildet, mit dem zugehörigen Schmierspalt 72a.
Auf das erste Zahnrad 1 1 und damit auf die erste Welle 21 wirkt die hydraulisch resultierende Kraft Fres, welche in etwa aus der Richtung des Auslasses 2b wirkt und welche in etwa der Summe der beiden auf die Gleitlager 71 , 72 wirkenden hydraulisch resultierenden Kräfte Fres,7i , Fres, 72 entspricht. Dadurch ergeben sich die Kontakte zwischen erster Welle 21 und Lagerbuchse 91 bzw. weiterer
Lagerbuchse 92 in der Darstellung der Fig.4 unten im Bereich des Einlasses 2a. Um nun eine gleichmäßige Lagerlast über die in den Gleitlagern 71 , 72 angeordneten Teilbereiche 21_1 , 21_2 der ersten Welle 21 zu erhalten, können diese Teilbereiche 21_1 , 21_2 in Achsrichtung konturiert werden. Damit können Achsversätze, Schrägstellungen der Gleitlager 71 , 72 und Durchbiegungen der ersten Welle 21 , welche zu Kantenträgern führen würden, reduziert werden.
Dies wird durch eine symmetrische, eine asymmetrische Balligkeit, oder einen einseitigen oder beidseitigen Kantenabfall realisiert. Im Fall von relativ kleinen Förderdrücken ist oftmals nur ein Kantenabfall auf der äußeren Seite, also dem
Zahnrad 1 1 abgewandten Bereichen der Teilbereiche 21_1 , 21_2 notwendig, um Fehlstellungen der Welle 21 in den Gleitlagern 71 , 72 auszugleichen, bzw.
Kantenträger oder gar Lagerklemmer und damit Hot Spots zu verhindern. In der Ausführung der Fig.4 sind die beiden Teilbereiche 21_1 , 21_2 jeweils mit einer symmetrischen, also beidseitigen Balligkeit versehen. Entsprechend weisen die beiden Laufflächen 21 1 , 212 eine im Schnitt konvexe Form auf.
Durch eine geeignete Balligkeit bzw. durch einen geeigneten Kantenabfall kann trotz Positionstoleranzen der Gleitlager 71 , 72 das Lagerspiel, also die Höhe des zugehörigen Schmierspalts 71 a, 72a reduziert werden. Damit kann die
Sommerfeldzahl verbessert, der minimale Schmierspalt im Kontakt zwischen
Welle 21 und Lagerbuchse 91 , 92 vergrößert und damit die Reibbedingungen verbessert bzw. die Temperaturerhöhung im Schmierspalt 71 a, 72a reduziert werden. Die Lagerbrillen 30, 40 weisen in der Ausführung der Fig.4 im Bereich der
Einspritzkanäle 33_1 , 43_2, jeweils eine Ausnehmung 30_1 , 40_2 auf, und zwar jeweils zur Außenwand der Lagerbuchsen 91 , 92. Damit sind die Ausnehmungen 30_1 , 40_2 in den Bereichen der Druckfelder p71 , p72 angeordnet. Dies führt dazu, dass sich die Lagerbuchsen 91 , 92 in diesen Bereichen unter Belastung weiter durchbiegen können, da die unterstützende Steifigkeit der Lagerbrillen 30,
40 fehlt. Dementsprechend können sich die Lagerbuchsen 91 , 92 an die
Konturen der Laufflächen 21 1 , 212 der ersten Welle 21 anpassen, was zu einer weiteren Verminderung der Kantenträger führt. Das Ergebnis sind vorteilhafte, vergleichsweise homogene Druckfelder p71 , p72.
Fig.5 zeigt den Schnitt A-A der Fig.4 durch das Gleitlager 71 . Der Zuführkanal
31 1 und der Ringkanal 32_1 sind in der Lagerbrille 30 ausgebildet, wobei der
Ringkanal 32_1 um etwa 270° der Lagerbuchse 91 verläuft. Der Einspritzkanal 33_1 ist in Rotationsrichtung R21 vor dem Druckfeld p71 angeordnet. Die Ausnehmung 30_1 ist in der Lagerbrille 30 unter dem Druckfeld p71 ausgebildet, so das in diesem Bereich die unterstützende Steifigkeit der Lagerbrille 30 für die Lagerbuchse 91 fehlt.
Die Ausnehmungen 30_1 , 40_2 in den beiden Lagerbrillen 30, 40 erstrecken sich vorzugsweise über nahezu die gesamte Länge der zugehörigen Gleitlager 71 ,
72, wie in Fig.4 dargestellt. Vorteilhafterweise werden die Ausnehmungen 30_1 , 40_2 dabei auch jeweils mit Arbeitsmedium durchspült. Demzufolge ist in diesen Ausführungen die Ausnehmung 30_1 Bestandteil des Ringkanals 32_1 , also dem Gleitlager 71 zugeordnet, und die Ausnehmung 40_2 ist Bestandteil des
Ringkanals 32_2, also dem Gleitlager 72 zugeordnet.
Dadurch ergeben sich zwei vorteilhafte Wirkmechanismen: zum einen eine bessere Kühlung des tribologischen Kontaktgebiets unter den Lagerbuchsen 91 , 92. Zum anderen wird durch ein elastisches Verhalten der Lagerbuchsen 91 , 92 in diesem Kontaktgebiet eine flächigere Anlage zwischen der Welle 21 und den
Lagerbuchsen 91 , 92 erreicht und damit die maximale Kontaktpressung reduziert
bzw. eine gleichmäßigere Flächenpressung erreicht, was wiederum den
Verschleiß reduziert.
Vorzugsweise sind die Lagerbuchsen 91 , 92 aus einem gut wärmeleitenden Material wie SiC (Siliziumcarbid) oder PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgeführt, so dass besonders im Bereich der Ausnehmungen 30_1 , 40_2 ein großer Wärmefluss durch die Wandstärke der Lagerbuchsen 91 , 92 nach außen in den Ringkanal 32_1 , 32_2 erfolgen kann. Die dargestellten Ausführungen können analog selbstverständlich auch auf die zweite Welle 22 bzw. die weitere Lagerbrille 40 angewendet werden. Im Falle von Außenzahnradpumpen 1 mit vier Gleitlagern 71 , 72, 73, 74 - also je zwei Gleitlager pro Welle - können alle vier Gleitlager 71 , 72, 73, 74 nach den vorangegangenen Ausführungen gestaltet werden.
Fig.6 zeigt beispielhaft das Gleitlager 71 in einer weiteren Ausführung in perspektivischer Ansicht mit einem Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Analog können sämtliche Gleitlager 71 , 72, 73, 74 der
Außenzahnradpumpe 1 zum Gleitlager 71 ausgeführt werden.
In dieser Ausführung ist das erste Zahnrad 1 1 einstückig mit der ersten Welle 21 ausgeführt; alternativ können Zahnrad 1 1 und Welle 21 jedoch auch zwei Bauteile sein, welche beispielsweise mittels eines Pressverbands fest verbunden sind. In axialer Richtung ist das erste Zahnrad 1 1 zwischen den beiden
Lagerbrillen 30, 40 angeordnet, so dass die Lagerbrillen 30, 40 die Axiallagerung für das erste Zahnrad 1 1 bilden. In der Ausführung der Fig.6 sind die beiden Lagerbrillen 30, 40 zweiteilig ausgeführt, mit jeweils einer Anschlagplatte 39, 49. Für die Axiallagerung wirkt das erste Zahnrad 1 1 dementsprechend mit den beiden Anschlagplatten 39, 49 zusammen. Alternativ kann die Ausführung der Lagerbrillen 30, 40 jedoch auch einteilig erfolgen.
In der Ausführung der Fig.6 ist der Ringkanal 32_1 nicht die Lagerbuchse 91 umgebend angeordnet, sondern in radialer Richtung zwischen der Welle 21 und der Anschlagplatte 39 ausgebildet und schließt sich in axialer Richtung an die Lagerbuchse 91 an. Der Ringkanal 32_1 wird nicht über einen speziell ausgebildeten Zuführkanal mit Arbeitsmedium versorgt, sondern über die
Leckagepfade 34_1 . Die Leckagepfade 34_1 führen von den Zahnkammern 1 1 a des ersten Zahnrads 1 1 , insbesondere von den Zahnkammern 1 1 a im
Hochdruckbereich - zunächst in radialer Richtung zur Welle 21 - also durch das Axiallager - und münden dort in den Ringkanal 32_1. Dort herrscht - aufgrund der Speisung über die Zahnkammern 1 1 a des Hochdruckbereichs - ein höherer
Fluiddruck als auf der Niederdruckseite bzw. als im Auslass 2b der
Außenzahnradpumpe 1. Dadurch wird das Arbeitsmedium aus dem Ringkanal 32_1 in axialer Richtung in den Schmierspalt 71 a des Gleitlagers 71 gedrückt und durchspült so den Schmierspalt 71 a bzw. das Gleitlager 71 mit den vorangehend schon beschriebenen Kühleffekten.
Im Gleitlager 71 wird also eine gerichtete Durchströmung realisiert. Damit wird das durch die Reibleistung im radialen Gleitlager 71 aufgeheizte Arbeitsmedium kontinuierlich ausgetauscht. Da speziell bei Abwärmerückgewinnungssystemen Arbeitsmedien mit sehr geringen Viskositäten verwendet werden, besteht die
Gefahr einer unzulässigen Drosselung durch das durch den radialen
Schmierspalt 71 a abfließende Arbeitsmedium nicht. Vorzugsweise ist der Ringkanal 32_1 nicht an den Niederdruckbereich der Außenzahnradpumpe 1 angeschlossen bzw. nur über die Leckagepfade 34_1 mit diesem verbunden, so dass die Druckverhältnisse eine Durchströmung des Gleitlagers 71 mit einer ausreichenden Menge an Arbeitsmedium zur Folge haben.
Die Leckagemenge des Arbeitsmediums im Axiallager, also in den
Leckagepfaden 34_1 schiebt bzw. spült somit also das vergleichsweise heiße Arbeitsmedium aus dem Schmierspalt 71 a des Gleitlagers 71. Hierdurch wird die
Lagertemperatur reduziert und gleichzeitig auch eine thermische Beschädigung des radialen Gleitlagers 71 verhindert. Zusätzlich wird noch der tribologische Zustand im radialen Gleitlager 71 verbessert. Durch die Absenkung der
Temperatur wird eine höhere Viskosität des Arbeitsmediums realisiert bzw. schneller ein hydrodynamischer Zustand zwischen der Welle 21 und der
Lagerbuchse 91 erreicht und damit die Reibleistung im Gleitlager 71 reduziert.
Dem Axiallager bzw. den Leckagepfaden 34_1 kommt weiterhin eine
Filterfunktion zu. Die Leckagemenge bzw. Spülmenge des Arbeitsmediums wird durch den vergleichsweise geringen axialen Spalt zwischen dem Zahnrad 1 1 und der Lagerbrille 30 bzw. Anschlagplatte 39 wie durch einen Spaltfilter von
Partikeln gefiltert. Die Partikel werden somit von dem Schmierspalt 71 a des Gleitlagers 71 ferngehalten. Der Verschleiß im Gleitlager 71 wird dadurch deutlich reduziert. In einer Weiterbildung der Außenzahnradpumpe 1 wird die Lagerspülmenge für die Gleitlager 71 , 72, 73, 74 erhöht, indem jeweils durch eine - oder mehrere - radiale Nuten oder Kanäle in den Lagerbuchsen 91 , 92, 93, 94 von der
Hochdruckseite der Außenzahnradpumpe 1 - also vom Bereich des Auslasses 2b - zusätzliches Arbeitsmedium in die Schmierspalte 71 a, 72a, 73a, 74a eingebracht wird. Zielführend ist es hier insbesondere, wenn die Kanäle mit möglichst kleinen Querschnitten ausgeführt sind. Damit werden nur sehr kleine Partikel in die engen radialen Schmierspalte 71 a, 72a, 73a, 74a gepresst, größere Partikel hingegen zurückgehalten bzw. gefiltert. Die dargestellte Außenzahnradpumpe 1 ist sehr gut für schlecht schmierende, niederviskose Arbeitsmedien geeignet, wie sie beispielsweise in
Abwärmerückgewinnungssystemen für Brennkraftmaschinen verwendet werden. In besonders vorteilhaften Ausführungen ist die erfindungsgemäße
Außenzahnradpumpe 1 demzufolge in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Der Brennkraftmaschine wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang
ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung aus der Brennkraftmaschine abgeführt. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden
Kreislauf auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst. Das Arbeitsmedium kann nach Bedarf über eine Stichleitung aus einem
Sammelbehälter und eine Ventileinheit in den Kreislauf eingespeist werden. Der Sammelbehälter kann dabei alternativ auch in den Kreislauf eingebunden sein.
Der Verdampfer ist an die Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine. Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe, gegebenenfalls aus dem Sammelbehälter, in den Verdampfer gefördert und dort durch die
Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe zugeführt.
Die Speisefluidpumpe des Abwärmerückgewinnungssystems ist dabei eine Außenzahnradpumpe 1 nach einer der obigen Ausführungen. Diese eignen sich besonders gut für ein Abwärmerückgewinnungssystem, da sie auch für schlecht schmierende Arbeitsmedien mit sehr niedrigen Viskositäten geeignet sind. Durch die Ringkanäle 32_1, 32_2, 32_3, 32_4 vom Arbeitsraum 6 zu den vier
Gleitlagern 71, 72, 73, 74 werden die Gleitlager 71, 72, 73, 74 mit Arbeitsmedium durchspült und gekühlt. Dadurch ist die Außenzahnradpumpe 1 auch für Betriebstemperaturen geeignet, welche nahe an der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums liegen, da die Durchspülung der Gleitlager 71, 72, 73, 74 eine Temperaturerhöhung auf Verdampfungstemperatur unterbindet und somit auch die Gefahr von Kavitationserosion in den Gleitlagern 71, 72, 73, 74 minimiert.
Claims
Ansprüche
Außenzahnradpumpe (1) mit einem Gehäuse (2), wobei das Gehäuse (2) einen Arbeitsraum (6) begrenzt, wobei in dem Arbeitsraum (6) ein auf einer ersten Welle (21) angeordnetes erstes Zahnrad (11) und ein auf einer zweiten Welle (22) angeordnetes zweites Zahnrad (12) miteinander kämmend angeordnet sind, wobei zur radialen Lagerung der beiden Wellen (21, 22) jeweils mindestens ein Gleitlager (71, 72, 73, 74) in dem Gehäuse (2) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Kühlung der Gleitlager (71, 72, 73, 74) jeweils ein hydraulisch mit dem Arbeitsraum (6) verbundener Ringkanal (32_1, 32_2, 32_3, 32_4) ausgebildet ist.
Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gleitlager (71, 72, 73, 74) jeweils eine Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) umfassen, welche mit der entsprechenden Welle (21, 22) radial zusammenwirken.
Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ringkanäle (32_1, 32_2, 32_3, 32_4) die entsprechende Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) außen umgebend angeordnet sind, vorzugsweise um mindestens 270° umlaufend.
Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ringkanäle (32_1, 32_2, 32_3, 32_4) über nahezu die gesamte Läng der entsprechenden Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) ausgebildet sind.
5. Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) ein hydraulisch mit dem Ringkanal
(32_1, 32_2, 32_3, 32_4) verbundener Einspritzkanal (33_1, 33_2, 33_3, 33_4) ausgebildet ist, wobei der Einspritzkanal (33_1, 33_2, 33_3, 33_4) in Rotationsrichtung (R21, R22) der Welle (21, 22) unmittelbar vor dem Druckfeld (p71, p72, p73, p74) zwischen der Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) und der Welle (21, 22) in den entsprechenden Schmierspalt (71a, 72a, 73a, 74a) des Gleitlagers (71, 72, 73, 74) mündet.
6. Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die mit der Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) zusammenwirkende Lauffläche (211, 212, 221, 222) der Welle (21, 22) konturiert ist, vorzugsweise ballig oder mit Kantenabfall.
7. Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis6
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerbuchse (91 , 92, 93, 94) aus SiC (Siliziumcarbid), oder PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgeführt ist.
8. Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2) zumindest eine Lagerbrille (30, 40) umfasst, wobei zumindest eine Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) in der Lagerbrille (30, 40) angeordnet ist.
9. Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Lagerbrille (30, 40) pro Gleitlager (71, 72, 73, 74) eine
Ausnehmung (30_1, 40_2, 30_3, 40_4) ausgebildet ist, wobei die
Ausnehmung (30_1, 40_2, 30_3, 40_4) in radialer Richtung des jeweiligen Druckfelds (p71, p72, p73, p74) des Gleitlagers (71, 72, 73, 74) angeordnet ist.
10. Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 8 oder 9
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils zwei Ringkanäle (32_1, 32_2, 32_3, 32_4) in der Lagerbrille (30, 40) ausgebildet sind.
11. Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2) zumindest eine Lagerbrille (30, 40) umfasst, wobei zumindest eine Lagerbuchse (91, 92, 93, 94) in der Lagerbrille (30, 40) angeordnet ist, wobei die Lagerbrille (30, 40) ein Axiallager für zumindest ein Zahnrad (11, 12) ausbildet.
12. Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 11
dadurch gekennzeichnet, dass
das Axiallager einen Leckagepfad (34_1, 34_2, 34_3, 34_4) von dem Arbeitsraum (6) zu dem zugeordneten Ringkanal (32_1, 32_2, 32_3, 32_4) des Gleitlagers (71, 72, 73, 74) ausbildet.
13. Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 12
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkanal (32_1, 32_2, 32_3, 32_4) zwischen dem Gleitlager (71, 72, 73, 74) und dem Zahnrad (11, 12) angeordnet ist.
14. Außenzahnradpumpe (1) nach Anspruch 12 oder 13
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkanal (32_1, 32_2, 32_3, 32_4) in einen Schmierspalt (71a, 72a, 73a, 74a) des Gleitlagers (71, 72, 73, 74) mündet.
15. Abwärmerückgewinnungssystem mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei der Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speisefluidpumpe als Außenzahnradpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt ist.
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