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Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradmaschine, insbesondere eine Außenzahnradpumpe oder einen Außenzahnradmotor, mit wenigstens zwei Zahnrädern, die im Außeneingriff miteinander kämmen und mit Hilfe von Lagerungen drehbar gelagert sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Außenzahnradmaschine.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 212 255 A1 ist eine Außenzahnradmaschine, insbesondere eine Außenzahnradpumpe oder ein Außenzahnradmotor, mit einem Gehäuse bekannt, in dem wenigstens ein erstes Zahnrad aufgenommen ist, welches mit einem zugeordneten zweiten Zahnrad im Außeneingriff kämmt, wobei das wenigstens eine erste Zahnrad in wenigstens einem ersten Lagerkörper bezüglich einer ersten Drehachse drehbar gelagert ist, wobei das zweite Zahnrad in wenigstens einem zweiten Lagerkörper bezüglich einer zweiten Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die erste und die zweite Drehachse parallel zueinander verlaufen, so dass sie eine erste Ebene aufspannen, wobei der wenigstens eine erste Lagerkörper senkrecht zur ersten Ebene geradlinig gleitbeweglich am zugeordneten zweiten Lagerkörper abgestützt ist, wobei eine Relativbewegung in Richtung der ersten Drehachse unterbunden ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 216 254 A1 ist eine ähnliche Außenzahnradmaschine bekannt, die Lagerbuchsen aus einem Werkstoff umfasst, der einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als ein Gehäuse aufweist, wobei die Lagerbuchsen ganz oder teilweise sich zwischen ihrer radial äußeren Mantelfläche und ihrer Lagerbohrung erstreckende, schlitzartige Ausnehmungen aufweisen. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 005 958 A1 ist eine hydraulische Außenzahnradmaschine bekannt, bei der im Bereich eines Niederdruckanschlusses an Zahnrädern axial anliegende Bereiche der Innenwände von Lagerbuchsen elastisch verformbar ausgebildet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer einer Außenzahnradmaschine, insbesondere einer Außenzahnradpumpe oder eines Außenzahnradmotors, mit wenigstens zwei Zahnrädern, die im Außeneingriff miteinander kämmen und mit Hilfe von Lagerungen drehbar gelagert sind, insbesondere im Betrieb mit einem niedrigviskosen Medium, wie einem ORC-Fluid zu verlängern.
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Die Aufgabe ist bei einer Außenzahnradmaschine, insbesondere einer Außenzahnradpumpe oder einem Außenzahnradmotor, mit wenigstens zwei Zahnrädern, die im Außeneingriff miteinander kämmen und mit Hilfe von Lagerungen drehbar gelagert sind, dadurch gelöst, dass mindestens eine der Lagerungen als Magnetlager ausgeführt ist. Die beiden Zahnräder sind vorzugsweise um zwei zueinander parallel angeordnete Drehachsen in einem Gehäuse der Außenzahnradmaschine drehbar gelagert. Durch das Magnetlager wird eine berührungslose, kontaktfreie Lagerung der Zahnräder in dem Gehäuse der Außenzahnradmaschine ermöglicht. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass im Betrieb der Außenzahnradmaschine an der mindestens einen als Magnetlager ausgeführten Lagerung kein unerwünschter Abrieb entsteht. Dadurch wird eine besonders wartungsarme Lagerung ermöglicht. Darüber hinaus erfolgt durch den fehlenden Abrieb kein unerwünschter Schmutzeintrag, der ein mit der Außenzahnradmaschine gefördertes Fluid verschmutzen könnte. Durch die berührungslose Lagerung werden darüber hinaus unerwünscht heiße Stellen in beziehungsweise an der Außenzahnradmaschine vermieden, die auch als Hot Spots bezeichnet werden. Durch die Verminderung von Reibung in der mindestens einen als Magnetlager ausgeführten Lagerung kann der hydromechanische Wirkungsgrad der Außenzahnradmaschine verbessert werden. Darüber hinaus werden durch die berührungslose, kontaktfreie Lagerung höhere Drehzahlen im Betrieb der Außenzahnradmaschine ermöglicht. Dadurch wird bei gleicher Fördermenge eines Mediums ein kleinerer Aufbau der Außenzahnradmaschine ermöglicht. Dadurch kann die Lebensdauer der Außenzahnradmaschine im Betrieb mit einem ORC-Fluid signifikant verlängert werden. Die Buchstaben ORC stehen für die englischen Begriffe Organic Rankine Cycle. Beispiele für ORC-Fluide sind Ethanol oder Cyclopentan. Im Rahmen von Kraftfahrzeuganwendungen hat sich die Verwendung von einem Kältemittel, wie es in Klimaanlagen eingesetzt wird, als vorteilhaft erwiesen. Das Kältemittel hat ausreichend gute thermodynamische Eigenschaften und ist zudem nicht brennbar.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Lagerungen als Magnetlager ausgeführt sind. Eine Magnetlageranordnung umfasst zum Beispiel jeweils zwei radiale Magnetlager für die beiden im Außeneingriff miteinander kämmenden Zahnräder. Darüber hinaus kann die Magnetlageranordnung zusätzlich zu den radialen Magnetlagern noch axiale Magnetlager umfassen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager als aktives Magnetlager ausgeführt ist. Bei dem aktiven Magnetlager werden Lagerkräfte mit Hilfe von geregelten Elektromagneten erzeugt. Durch eine geeignete Regelung der Elektromagnete kann die Steifigkeit des Magnetlagers in Abhängigkeit des Drucks geregelt werden. Somit kann eine gezielte Anlage beziehungsweise Spaltminimierung von Zahnköpfen in einer Radkammerbohrung der Außenzahnradmaschine erreicht werden. Das führt zu einer Verringerung der hydraulischen Verluste über einen Kopfspalt der Außenzahnradmaschine. Dadurch kann der volumetrische Wirkungsgrad der Außenzahnradmaschine vorteilhaft weiter verbessert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager mit einer hermetischen Kapselung gegenüber einer äußeren Umgebung der Außenzahnradmaschine kombiniert ist. Die hermetische Kapselung oder Abkopplung wird zum Beispiel durch eine Kunststofffolie oder ein Kunststoffinlay dargestellt, die zwischen einem Rotor und einem Stator des Magnetlagers angeordnet ist. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass Gehäusedichtungen zwischen Gehäusekörpern oder Gehäuseteilen des Gehäuses der Außenzahnradmaschine entfallen können.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander kämmenden Zahnräder durch jeweils zwei radiale Magnetlager um zwei parallele Drehachsen drehbar gelagert sind. Diese Magnetlageranordnung hat sich im Betrieb der Außenzahnradmaschine mit einem niedrigviskosen Medium, wie einem ORC-Fluid, als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass den miteinander kämmenden Zahnrädern mindestens ein axiales Magnetlager zugeordnet ist. Daraus ergeben sich weitere Verbesserungen im Betriebsverhalten der Außenzahnradmaschine, insbesondere im Betrieb mit einem niedrigviskosen Medium, wie einem ORC-Fluid. Die miteinander kämmenden Zahnräder sind besonders vorteilhaft jeweils zwischen zwei axialen Magnetlagern angeordnet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander kämmenden Zahnräder in einer Magnetlageranordnung durch radiale Magnetlager und axiale Magnetlager gelagert sind. Dadurch kann die ansonsten unvermeidbare Lagerreibung auf null reduziert werden. Darüber hinaus ergeben sich Vorteile im Betriebsverhalten der Außenzahnradmaschine, zum Beispiel im Hinblick auf die Realisierung eines axialen Spielausgleichs durch die axialen Magnetlager. Die radialen Magnetlager sind in axialer Richtung vorzugsweise zwischen den axialen Magnetlagern angeordnet. Dadurch ergibt sich ein relativ kompakter Aufbau der Außenzahnradmaschine.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Außenzahnradmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den miteinander kämmenden Zahnrädern und den radialen Magnetlagern Anlaufplatten angeordnet sind, wobei zwischen den radialen und den axialen Magnetlagern Druckplatten angeordnet sind. Dadurch werden die miteinander kämmenden Zahnräder vorteilhaft in axialer Richtung zwischen den Anlaufplatten angeordnet. Über die Druckplatten oder Anpressplatten können Magnetkräfte der axialen Magnetlager auf die radialen Magnetlager übertragen werden, die sich in axialer Richtung an den Anlaufplatten abstützen. Die Magnetlageranordnung umfasst zu diesem Zweck vorteilhaft vier radiale und zwei axiale Magnetlager.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Außenzahnradmaschine ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Anlaufplatten über die Magnetlager gezielt an oder gegen Zahnradstirnseiten der miteinander kämmenden Zahnräder gepresst werden. Durch ein gezieltes beziehungsweise geregeltes Anpressen der Anlaufplatten an oder gegen die Zahnradstirnseiten über die axialen Magnetlager kann der Leckageverlust über die Zahnradstirnseiten reduziert werden. Das hat zur Folge, dass der volumetrische Wirkungsgrad der Außenzahnradmaschine verbessert wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Elektromagnete des Magnetlagers druckabhängig geregelt werden. Durch die druckabhängige Regelung der Elektromagnete kann auf einfache Art und Weise eine gezielte Anlage beziehungsweise Spaltminimierung von Zahnköpfen in der Außenzahnradmaschine realisiert werden.
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Die vorab beschriebene Außenzahnradmaschine wird vorzugsweise in einem System zur Wärmerückgewinnung aus Abgas im Betrieb von Nutzfahrzeugen verwendet. Das Wärmerückgewinnungssystem aus dem Abgas wird auch als Waste-Heat-Recovery-System bezeichnet. Als Arbeitsfluid wird in dem verkürzt auch als WHR-System bezeichneten Wärmerückgewinnungssystem ein ORC-Fluid verwendet. Das ORC-Fluid wird durch eine vorab beschriebene Außenzahnradmaschine von einem niedrigen auf einen höheren Druck gebracht und zu Verdampfern gefördert. Die Verdampfer nehmen Abwärme aus einem Abgastrakt und einer Abgasrückführung auf und verdampfen das ORC-Fluid. Der erzeugte Dampf verrichtet in einer Expansionsmaschine Arbeit und wird anschließend in einem Kondensator wieder verflüssigt, wobei die Restwärme an die Umgebung abgegeben wird. Schließlich wird die Flüssigkeit erneut der Außenzahnradmaschine zugeführt. Die aus dem Prozess erhaltene Energie kann zum Beispiel mechanisch an eine Kurbelwelle abgegeben werden oder einen Generator antreiben.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Außenzahnradmaschine mit einer Magnet-Lageranordnung, die vier radiale Magnetlager umfasst;
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2 eine ähnliche Außenzahnradmaschine wie in 1, bei der die Magnetlageranordnung mit einer hermetischen Kapselung kombiniert Ist; und
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3 eine ähnliche Außenzahnradmaschine wie in den 1 und 2, die zusätzlich zu den radialen Magnetlagern noch zwei axiale Magnetlager umfasst.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den 1 bis 3 sind Prinzipdarstellungen einer Außenzahnradmaschine 1; 41; 51 mit einem ersten Zahnrad 3 und einem zweiten Zahnrad 4 vereinfacht im Längsschnitt dargestellt. Die außen verzahnten Zahnräder 3, 4 kämmen im Außeneingriff miteinander.
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Das erste Zahnrad 3 ist in den 1 bis 3 auf seiner linken Stirnseite drehfest mit einem Zapfen 5 verbunden. Wenn die Außenzahnradmaschine 1; 41; 51 als Außenzahnradpumpe ausgeführt ist, kann das erste Zahnrad 3 über den Zapfen 5 angetrieben werden, der dann auch als Antriebszapfen 5 bezeichnet wird. Auf seiner in den 1 bis 3 rechten Seite ist das erste Zahnrad 3 drehfest mit einem Lagerzapfen 6 verbunden.
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Das zweite Zahnrad 4 weist in den 1 bis 3 seitlich zwei Lagerzapfen 7, 8 auf, mit denen das zweite Zahnrad 4 drehfest verbunden ist. Die beiden Zahnräder 3, 4 sind mit Hilfe der Zapfen 5, 6 und 7, 8 drehbar in einem Gehäuse 10 gelagert. Das erste Zahnrad 3 ist mit Hilfe des Antriebszapfens 5 und des Lagerzapfens 6 um eine erste Drehachse 13 drehbar. Das zweite Zahnrad 4 ist mit Hilfe der Lagerzapfen 7, 8 um eine zweite Drehachse 14 drehbar, die parallel zu der ersten Drehachse 13 ist.
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Das Gehäuse 10 wird auf seiner in den 1 bis 3 linken Seite von einem ersten Gehäusedeckel 11; 61 und auf seiner in den 1 bis 3 rechten Seite von einem zweiten Gehäusedeckel 12; 62 begrenzt. Ein Gehäusegrundkörper 15 des Gehäuses 10 ist zwischen den Gehäusedeckeln 11, 12; 61, 62 angeordnet.
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Der erste Gehäusedeckel 11; 61 ist mit Hilfe von Fixiermitteln 16, 17 an dem Gehäusegrundkörper 15 fixiert. Der zweite Gehäusedeckel 12; 62 ist mit Hilfe von Fixiermitteln 18, 19 an dem Gehäusegrundkörper 15 fixiert. Bei den Fixiermitteln 16 bis 19 handelt es sich zum Beispiel um Passstifte. Die Verbindung der Gehäusedeckel 11, 12; 61, 62 erfolgt mit Hilfe von Schraubbolzen 81 und Unterlagen 82.
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In den 1 und 2 ist zwischen dem ersten Gehäusedeckel 11 und dem Gehäusegrundkörper 15 eine erste Gehäusedichtung 21 angeordnet. In 1 ist zwischen dem zweiten Gehäusedeckel 12 und dem Gehäusegrundkörper 15 eine zweite Gehäusedichtung 22 angeordnet. In 2 ist diese zweite Gehäusedichtung durch eine hermetische Kapselung 40 ersetzt.
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In den 1 bis 3 dient ein Radialwellendichtring 24 zur Abdichtung einer Drehdurchführung des Antriebszapfens 5 durch den ersten Gehäusedeckel 11; 61. Der Radialwellendichtring 24 wird in bekannter Art und Weise von außen in einen Ringraum eingebaut, der sich um den Antriebszapfen 5 herum erstreckt.
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In 1 dient zur Lagerung der beiden Zahnräder 3, 4 in dem Gehäuse 10 eine Magnetlageranordnung 25. Die Magnetlageranordnung 25 umfasst zur Lagerung des ersten Zahnrads 3 zwei Magnetlager 26, 27. Zur Lagerung des zweiten Zahnrads 4 umfasst die Magnetlagerung 25 zwei weitere Magnetlager 28, 29.
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Den Magnetlagern 26 und 27 sind zwei Axialfelddichtungen 31, 32 zugeordnet, die zur Abdichtung zwischen den Magnetlagern 26, 27 und den Gehäusedeckeln 11, 12 dienen. Den Magnetlagern 28, 29 sind zwei Axialfelddichtungen 33, 34 zugeordnet, die zur Abdichtung zwischen den Magnetlagern 28, 29 und den Gehäusedeckeln 11, 12 dienen.
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Die Axialfelddichtungen 31 und 33 sind vorteilhaft in einem Bauteil zusammengefasst. Die Axialfelddichtungen 32 und 34 sind vorteilhaft ebenfalls in einem Bauteil zusammengefasst. Dann werden die Magnetlager 26 und 28 mit der kombinierten Axialfelddichtung 31, 33 abgedichtet. Die Magnetlager 27 und 29 werden dann mit der kombinierten Axialfelddichtung 32, 34 abgedichtet.
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Bei den Magnetlagern 26 bis 29 der Magnetlageranordnung 25 in 1 handelt es sich um radiale Magnetlager, die anstelle von bisher verwendeten Gleitlagern verwendet werden. Die Magnetlager 26 bis 27 können als passive Magnetlager ausgeführt sein.
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Bei einem passiven Magnetlager wird eine Magnetkraft zur Lagerung durch einen Permanentmagneten aufgebracht. Die Magnetlager 26 bis 29 können aber auch als aktive Magnetlager mit Elektromagneten ausgeführt sein. Bei aktiven Magnetlagern wird die Magnetkraft zur Lagerung durch die Elektromagnete aufgebracht.
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In 2 ist auf der rechten Seite der Zahnräder 3, 4 der Außenzahnradmaschine 41 angedeutet, dass zwischen den Lagerzapfen 6, 8 und den Magnetlagern 27, 29 zum Beispiel eine Kunststofffolie oder ein Kunststoffinlay zur Darstellung der hermetischen Kapselung 40 angeordnet sein kann. Die hermetische Kapselung 40 ermöglicht es, die Magnetlager 27, 29 gegen die äußere Umgebung der Außenzahnradmaschine 41 abzukoppeln.
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Durch die hermetische Kapselung 40 kann der Aufbau der Außenzahnradmaschine 41 durch einen Wegfall oder eine Vereinfachung von Dichtungen vereinfacht werden. In 2 kann die kombinierte Axialfelddichtung (32, 34 in 1) vorteilhaft durch O-Ringe 42, 44 zwischen den Magnetlagern 27, 29 und dem zweiten Gehäusedeckel 12 ersetzt werden. Darüber hinaus können außerhalb des durch die Außenzahnradmaschine 41 geförderten Fluids kostengünstigere Werkstoffe ohne eine entsprechende beziehungsweise gegebenenfalls notwendige Beständigkeit gegen das Arbeitsmedium, insbesondere das ORC-Fluid, eingesetzt werden.
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Die in 3 dargestellte Außenzahnradmaschine 51 umfasst eine Magnetlageranordnung 55, die zusätzlich zu den Magnetlagern 26 bis 29, die bereits in der Magnetlageranordnung 25 der 2 enthalten sind, zwei axiale Magnetlager 71, 72 aufweist. Das erste axiale Magnetlager 71 ist in einen ersten Gehäusedeckel 61 integriert. Das zweite axiale Magnetlager 72 ist in einen zweiten Gehäusedeckel 62 integriert. Eine hermetische Kapselung 60 ist, wie bereits bei der Außenzahnradmaschine 41 in 2, mit den beiden radialen Magnetlagern 27, 29 kombiniert.
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Zwischen dem axialen Magnetlager 71 und den radialen Magnetlagern 26, 28 ist eine Druckplatte 73 angeordnet. Analog ist zwischen dem axialen Magnetlager 72 und den radialen Magnetlagern 27, 29 eine Druckplatte 74 angeordnet. Über die Druckplatten 73, 74 werden, wie in 3 durch Pfeile 77, 78 angedeutet ist, in axialer Richtung wirkende Magnetkräfte von den axialen Magnetlagern 71, 72 auf die radialen Magnetlager 26, 28 und 27, 29 übertragen.
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Zwischen den radialen Magnetlagern 26, 28 und den beiden Zahnrädern 3, 4 ist eine Anlaufplatte 75 angeordnet. Analog ist zwischen den radialen Magnetlagern 27, 29 und den Zahnrädern 3, 4 eine Anlaufplatte 76 angeordnet. Durch Pfeile 79, 80 ist in 3 angedeutet, dass die Magnetkräfte 77, 78 von den radialen Magnetlagern 26, 28 und 27, 29 über die Anlaufplatten 75, 76 auf die Zahnräder 3, 4 übertragen werden.
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Dadurch wird ein axialer Spielausgleich ermöglicht. Durch ein definiertes Anpressen der Anlaufplatten 75, 76 an die Zahnradstirnseiten der Zahnräder 3, 4 kann über die axialen Magnetlager 71, 72, wie durch die Pfeile 77 bis 80 angedeutet ist, ein Leckageverlust über die Zahnradstirnseiten reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014212255 A1 [0002]
- DE 102012216254 A1 [0002]
- DE 102012005958 A1 [0002]
