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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Außenzahnradpumpe, insbesondere ausgeführt als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Außenzahnradpumpen sind vielfach aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
EP 0 715 078 B1 . Die bekannte Außenzahnradpumpe umfasst ein Pumpengehäuse, in welchem eine Innenwand ausgebildet ist. Die Innenwand begrenzt einen Arbeitsraum. In dem Arbeitsraum sind ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Die Zahnräder sind jeweils auf einer Welle angeordnet, wobei die Wellen gleitgelagert sind.
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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 mit schlecht schmierenden Medien von Abwärmerückgewinnungssystemen über eine lange Lebensdauer betrieben werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe weist eine verbesserte Hydrodynamik in ihren Lagerstellen auf. Dadurch ist sie auch insbesondere für schlecht schmierende, niedrigviskose Arbeitsmedien geeignet. Somit kann die Außenzahnradpumpe sehr gut als Speisefluidpumpe eines Abwärmerückgewinnungssystems verwendet werden.
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Dazu umfasst die Außenzahnradpumpe ein Pumpengehäuse. Das Pumpengehäuse begrenzt einen Arbeitsraum. In dem Arbeitsraum sind ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad miteinander kämmend angeordnet. Das erste Zahnrad ist auf einer ersten Welle und das zweite Zahnrad ist auf einer zur ersten Welle parallelen zweiten Welle angeordnet. Die erste Welle und die zweite Welle sind in einer Lagerbrille gelagert. An der ersten Welle ist eine Mehrzahl von Wellenstufen zur Lagerung in der Lagerbrille ausgebildet, und an der zweiten Welle ist eine Mehrzahl von weiteren Wellenstufen zur Lagerung in der Lagerbrille ausgebildet. Beide Mehrzahlen von Wellenstufen weisen jeweils alternierende Durchmesser auf. Jeweils eine Wellenstufe der ersten Welle und eine weitere Wellenstufe der zweiten Welle sind in einer Ebene angeordnet, wobei in einer Ebene eine der beiden Wellenstufen mit kleinerem Durchmesser und die andere der beiden Wellenstufen mit größerem Durchmesser ausgeführt sind.
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Dadurch gibt es Lagerstufen für beide Wellen, welche einen großen Durchmesser aufweisen, nämlich jeweils die Wellenstufen mit den großen Durchmessern. Diese weisen an ihren Mantelflächen eine hohe Umfangsgeschwindigkeit auf, welche eine Gleitfilmbildung zwischen den Wellenstufen und der Lagerbrille begünstigt und so die Hydrodynamik verbessert. Weiterhin wird durch die Wellenstufen mit größerem Durchmesser eine deutliche Reduktion der Lagerbelastung erzielt. Beide Effekte führen zu einer höheren Lebensdauer der Außenzahnradpumpe. Die Lagerbrille wird entsprechend zu den Wellenstufen gestaltet, so dass zumindest die Wellenstufen mit dem größeren Durchmesser mit der Lagerbrille zur Ausbildung der Gleitlagerung zusammenwirken.
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Um den verhältnismäßig großen Lagerdurchmesser auf einer Welle zu ermöglichen, muss auf der dazu parallelen zweiten Welle ein entsprechend kleiner Durchmesser ausgeführt sein. Daher ist in der Ebene eine der beiden Wellenstufen mit kleinerem Durchmesser und die andere der beiden Wellenstufen mit größerem Durchmesser ausgeführt. In der nächsten Wellenstufe ist dieses dann genau umgekehrt, so dass beide Wellen alternierend mit dem größeren Lagerdurchmesser gelagert werden können. Dies kann entsprechend der zu erwartenden Lagerbelastung in nahezu beliebig vielen Wellenstufen geschehen. Die Lagerbrille ist kompatibel zu den Wellenstufen ausgeführt, weist also dazu die entsprechende Negativform auf.
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Weiterhin wird entsprechend der zu erwartenden Belastung und damit der Durchbiegung der beiden Wellen gewählt, welche der Wellen den großen Durchmesser näher am jeweiligen Zahnrad besitzt. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe ist daher die Maximierung des möglichen Lagerdurchmessers durch eine serielle Anordnung - ein- oder mehrstufig - der Lagerstufen bzw. Wellenstufen. Der Bauraum der Außenzahnradpumpe wird dabei nicht vergrößert. Somit werden auch die Zahnräder - und mit ihnen die Leckagemenge - nicht vergrößert; der Wirkungsgrad der Außenzahnradpumpe wird also nicht verringert.
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In vorteilhaften Ausführungen weisen alle Wellenstufen mit kleinerem Durchmesser einen Durchmesser D1 auf. Durch den einheitlichen Durchmesser D1 ist die Fertigung der Wellenstufen und auch der Lagerbrille vereinfacht.
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Bevorzugt weisen alle Wellenstufen mit größerem Durchmesser einen Durchmesser D2 auf. Durch den einheitlichen Durchmesser D2 ist die Fertigung der Wellenstufen und auch der Lagerbrille vereinfacht. Letztendlich bestimmt der größere Durchmesser D2 den Bauraum der Außenzahnradpumpe bzw. wird von dem Bauraum bestimmt. Daher ist es vorteilhaft für alle größeren Wellenstufen den maximal möglichen größeren Durchmesser D2 einheitlich zu verwenden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist die erste Welle zur zweiten Welle einen Achsabstand a auf, wobei der Achsabstand a um eine minimale Wandstärke b größer ist als der größere Durchmesser D2 . Dadurch überschneiden sich die Lagerungen von erster Welle und zweiter Welle nicht. Die minimale Wandstärke b garantiert eine ausreichende Festigkeit der Lagerbrille im Bereich der Lagerungen.
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Vorteilhafterweise liegt die minimale Wandstärke b zwischen 0,5 mm und 2,0 mm, so dass einerseits der größere Durchmesser D2 möglichst groß ist, um eine gute Hydrodynamik zu gewährsleisten, und andererseits die Festigkeit der Lagerbrille den Anforderungen genügt.
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In alternativen vorteilhaften Ausführungen beträgt die minimale Wandstärke (b) Null, so dass eine Wellenstufe mit großem Durchmesser D2 auf einer Wellenstufe 211, mit kleinem Durchmesser D1 abrollt.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die Lagerbrille zweiteilig ausgeführt. Dadurch kann die zu den Wellenstufen kompatible Lagerkontur in der Lagerbrille vergleichsweise einfach gefertigt werden und die Außenzahnradpumpe einfach montiert werden.
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Außenzahnradpumpen, welche auch für niederviskose Arbeitsmedien geeignet sind, 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 und eine Expansionsmaschine umfasst. Die Speisefluidpumpe ist dabei als Außenzahnradpumpe mit den vorhergehend beschriebenen Merkmalen ausgeführt.
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Aufgrund des größeren Lagerdurchmessers eignet sich die Außenzahnradpumpe für niederviskose, schlecht schmierende Arbeitsmedien eines Abwärmerückgewinnungssystems, wie beispielsweise Ethanol oder Kältemittel, da sie in den Lagerstellen selbst bei derartigen Arbeitsmedien eine ausreichende Hydrodynamik erzielt.
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Figurenliste
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine Außenzahnradpumpe des Stands der Technik in Explosionsdarstellung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 2 einen Schnitt durch eine Außenzahnradpumpe des Stands der Technik, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 4 eine Lagerbrille einer erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe in zwei Ansichten, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Außenzahnradpumpe 1 aus dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Außenzahnradpumpe 1 umfasst ein Pumpengehäuse 2, einen Deckel 3 und einen Bodenflansch 4. Der Deckel 3 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 Arbeitsraum 6.
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In dem Arbeitsraum 6 sind ein erstes Zahnrad 11 und ein zweites Zahnrad 12 kämmend miteinander angeordnet. Das erste Zahnrad 11 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.
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Die beiden Wellen 21, 22 ragen jeweils durch das ihnen zugeordnete Zahnrad 11, 12 und sind mit diesem fest verbunden. Beiderseits der Zahnräder 11, 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 11, 12.
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Die vier Lagerbuchsen 9 haben jeweils eine Radiallagerfunktion. 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 11, 12 zusammen. Die Anschlagfläche 31 lagert beide Zahnräder 11, 12 in der axialen Richtung zum Bodenflansch 4 orientiert; die weitere Anschlagfläche 42 lagert beide Zahnräder 11, 12 in der axialen Richtung zum Deckel 3 orientiert.
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Zur Abdichtung des Arbeitsraums 6 zur Umgebung sind zwei Dichtungen am Pumpengehäuse 2 angeordnet: Eine Dichtung 28 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Deckel 3, und eine weitere Dichtung 29 zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Bodenflansch 4. Beide Dichtungen 28, 29 verlaufen etwa ringförmig über den Umfang des Pumpengehäuses 28, 29 und sind üblicherweise in entsprechenden Nuten angeordnet.
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2 zeigt einen Schnitt im Bereich der Zahnräder 11, 12 durch eine Außenzahnradpumpe 1. Die beiden Zahnräder 11, 12 sind innerhalb des Pumpengehäuses 2, also im Arbeitsraum 6, angeordnet. Die beiden Zahnräder 11, 12 fördern das Arbeitsmedium entlang der Innenwand 61 des Pumpengehäuses 2.
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2 zeigt weiterhin einen Einlasskanal 71 und einen Auslasskanal 72 der Außenzahnradpumpe 1, welche in den Arbeitsraum 6 der Außenzahnradpumpe 1 münden. Für diesen Fall dreht die erste Welle 21 in der Ansicht der 2 im Uhrzeigersinn 21a und die zweite Welle 22 entgegen des Uhrzeigersinns 22a. Demzufolge stehen die ersten Zähne 13 des ersten Zahnrads 11 an ihren jeweils ersten Zahnflanken 13a im Zahneingriff mit den zweiten Zähnen 14 des zweiten Zahnrads 12 an deren jeweils ersten Zahnflanken 14a. Weiterhin wirken die ersten Zahnköpfe 13b der ersten Zähne 13 und die zweiten Zahnköpfe 14b der zweiten Zähne mit der Innenwand 61 des Pumpengehäuses 2 zusammen.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 sind der Einlasskanal 71 und der Auslasskanal 72 in dem Pumpengehäuse 2 ausgebildet. In alternativen Ausführungsbeispielen können der Einlasskanal 71 und der Auslasskanal 72 jedoch auch anderweitig gestaltet sein, beispielsweise im Deckel 3 oder im Bodenflansch 4 ausgebildet.
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Die Funktionsweise der Außenzahnradpumpe 1 ist wie folgt:
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Eines der beiden Zahnräder 11, 12 wird durch die entsprechende Welle 21, 22 angetrieben, so dass durch den Zahneingriff der entsprechenden Zähne 13, 14 die beiden Zahnräder 11, 12 miteinander kämmen. Ersatzweise kann der Antrieb auch anderweitig, beispielsweise elektromechanisch, erfolgen. Das erste Zahnrad 11 rotiert im Uhrzeigersinn 21a und das zweite Zahnrad 12 entgegen dem Uhrzeigersinn 22a. Dadurch wird Arbeitsmedium zwischen den Zahnrädern 11, 12 und der Innenwand 61 des Pumpengehäuses 2 vom Einlasskanal 71 in den Arbeitsraum 6 und anschließend zum Auslasskanal 72 gefördert. Die entgegengesetzte Strömungsrichtung dichtet der Zahneingriff der entsprechenden Zähne 13, 14 zwischen den beiden Zahnrädern 11, 12 ab. In Abhängigkeit des am Auslasskanal 72 anliegenden Drucks wird das Arbeitsmedium dabei im Arbeitsraum 6 verdichtet.
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Die Zahnräder 11, 12 bzw. Zähne 13, 14 haben neben der Funktion das Arbeitsmedium vom Einlasskanal 71 in den Auslasskanal 72 zu fördern auch die Funktion die Zahnkammern zwischen den Zähnen 13, 14 zur Innenwand 61 des Pumpengehäuses 2 abzudichten, um eine möglichst hohe Effizienz der Außenzahnradpumpe 1 zu gewährleisten.
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3 zeigt ein Zahnradpaar 11, 12 der erfindungsgemäßen Außenzahnradpumpe 1 in perspektivischer Ansicht mit zwei parallelen Wellen 21, 22, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die erste Welle 21 weist eine erste Wellenkontur 210 auf, und die zweite Welle 22 weist eine zweite Wellenkontur 220 auf. Beide Wellenkonturen 210, 220 bestehen aus alternierenden Wellendurchmessern und sind in axialer Richtung benachbart zu dem jeweiligen Zahnrad 11, 12 angeordnet. Jede Wellenkontur 210, 220 weist in der Ausführung der 3 dazu vier Wellenstufen auf:
- - Die erste Welle 21 weist vier Wellenstufen 211, 212, 213, 214 auf, wobei in axialer Richtung einer Wellenstufe 211, 213 mit kleinem Durchmesser eine Wellenstufe 212, 214 mit großem Durchmesser folgt.
- - Die zweite Welle 22 weist vier Wellenstufen 221, 222, 223, 224 auf, wobei in axialer Richtung einer Wellenstufe 221, 223 mit großem Durchmesser eine Wellenstufe 222, 224 mit kleinem Durchmesser folgt.
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Dabei liegen jeweils eine Wellenstufe der ersten Welle 21 und eine Wellenstufe der zweiten Welle 22 in einer Ebene, wobei in der Ebene immer eine Wellenstufe mit kleinem Durchmesser und eine Wellenstufe mit großem Durchmesser angeordnet sind:
- - Die Wellenstufe 211 mit kleinem Durchmesser und die Wellenstufe 221 mit großem Durchmesser.
- - Die Wellenstufe 212 mit großem Durchmesser und die Wellenstufe 222 mit kleinem Durchmesser.
- - Die Wellenstufe 213 mit kleinem Durchmesser und die Wellenstufe 223 mit großem Durchmesser.
- - Die Wellenstufe 214 mit großem Durchmesser und die Wellenstufe 224 mit kleinem Durchmesser.
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4 zeigt eine Lagerbrille 30, 40, welche mit der Ausführung der beiden Wellen 21, 22 der 3 kompatibel ist, in zwei Ansichten. Die Lagerbrille 30, 40 ist dabei zweiteilig ausgeführt, mit zwei Lagerschalen, welche beispielsweise durch eine nicht dargestellte Schraubverbindung fest miteinander verbunden sind. In 4 ist dabei nur eine der beiden Lagerschalen 30a, 40a in zwei Ansichten gezeigt.
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Die Lagerschale 30a, 40a weist zwei Lagerkonturen 310, 320 auf. Die erste Lagerkontur 310 ist dabei zur ersten Wellenkontur 210 kompatibel und die zweite Lagerkontur 320 zur zweiten Wellenkontur 220. Dazu weisen die beiden Lagerkonturen 310, 320 jeweils vier Lagerstufen auf:
- - Die erste Lagerkontur 310 weist vier Lagerstufen 311, 312, 313, 314 auf, wobei in axialer Richtung einer Lagerstufe 311, 313 mit kleinem Durchmesser eine Lagerstufe 312, 314 mit großem Durchmesser folgt.
- - Die zweite Lagerkontur 320 weist vier Lagerstufen 321, 322, 323, 324 auf, wobei in axialer Richtung einer Lagerstufe 321, 323 mit großem Durchmesser eine Lagerstufe 322, 324 mit kleinem Durchmesser folgt.
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Die Lagerstufen 311, 312, 313, 314, 321, 322, 323, 324 sind dabei analog zu den Wellenstufen 211, 212, 213, 214, 221, 222, 223, 224 ausgebildet, nämlich so dass jeweils eine Lagerstufe der ersten Lagerkontur 310 und eine Lagerstufe der zweiten Lagerkontur 320 in einer Ebene liegen, wobei in der Ebene immer eine Lagerstufe mit kleinem Durchmesser D1 und eine Lagerstufe mit großem Durchmesser D2 angeordnet sind:
- - Die Lagerstufe 311 mit kleinem Durchmesser D1 und die Lagerstufe 321 mit großem Durchmesser D2 .
- - Die Lagerstufe 312 mit großem Durchmesser D2 und die Lagerstufe 322 mit kleinem Durchmesser D1 .
- - Die Lagerstufe 313 mit kleinem Durchmesser D1 und die Lagerstufe 323 mit großem Durchmesser D2 .
- - Die Lagerstufe 314 mit großem Durchmesser D2 und die Lagerstufe 324 mit kleinem Durchmesser D1 .
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Somit bildet die erste Wellenkontur 210 mit der ersten Lagerkontur 310 ein erstes Gleitlager für die erste Welle 21, und die zweite Wellenkontur 220 bildet mit der zweiten Lagerkontur 320 ein zweites Gleitlager für die zweite Welle 22.
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Die beiden parallelen Wellen 21, 22 weisen einen Achsabstand a auf. Der Achsabstand a ist dabei größer als der große Durchmesser D2 , so dass zwischen der ersten Lagerkontur 310 und der zweiten Lagerkontur 320 eine minimale Wandstärke b zwischen den Kanten eines großen Durchmessers D2 der ersten Lagerkontur 310 und der zweiten Lagerkontur 320 vorhanden ist. Es gilt: b = D2 - a. Vorzugsweise liegt die minimale Wandstärke b im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm. In besonderen Ausführungen kann die minimale Wandstärke b allerdings auch 0 sein, so dass eine Wellenstufe 212, 214, 221, 223 mit großem Durchmesser D2 auf einer Wellenstufe 211, 213, 222, 224 mit kleinem Durchmesser D1 abrollt.
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In vorteilhaften Verwendungen ist die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1 in einem Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Der Brennkraftmaschine wird Sauerstoff über eine Luftzufuhr zugeführt; das nach dem Verbrennungsvorgang ausgestoßene Abgas wird durch eine Abgasleitung aus der Brennkraftmaschine abgeführt.
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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.
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Der Verdampfer ist an die Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen, nutzt also die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine für den Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems.
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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 Generator oder an ein Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium - bei Bedarf - im Kondensator wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter zurückgeführt bzw. der Speisefluidpumpe zugeführt.
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Da Arbeitsmedien, wie sie beispielsweise in Abwärmerückgewinnungssystemen eingesetzt werden, z.B. Ethanol oder Kältemittel, nur eine sehr geringe Viskosität und quasi keine Schmiereigenschaft aufweisen, kann bei Nutzung derartiger, kritischer Arbeitsmedien in den Lagerstellen oft kein ausreichend tragfähiger Schmierfilm ausgebildet werden. Die erfindungsgemäße Außenzahnradpumpe 1 verschafft hier Abhilfe und führt zu einer ausreichenden Hydrodynamik in den Lagerstellen bzw. Lagerkonturen 310, 320.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0715078 B1 [0002]
- DE 102013205648 A1 [0003]
