DE102014226954B3

DE102014226954B3 - Expansionsmaschine mit Wellendichtring und Ventil

Info

Publication number: DE102014226954B3
Application number: DE102014226954.7A
Authority: DE
Inventors: Steffen Buhl; Nadja Eisenmenger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: CN107109945A; US10364692B2; EP3237729B1; US20180171811A1; WO2016102100A1; EP3237729A1

Abstract

Expansionsmaschine (20) mit einer Abtriebswelle (24) und einem mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring (25). Die Expansionsmaschine (20) weist einen Einströmbereich (21) und einen Ausströmbereich (22) auf. Im Betrieb wird die Expansionsmaschine (20) mit einem Arbeitsmedium durchströmt, wobei verdichtetes Arbeitsmedium in den Einströmbereich (21) und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich (22) strömt. Der Wellendichtring (25) trennt einen mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum (11) von einem Umgebungsraum (40). Ein Ventil (10) ist in der Expansionsmaschine (20) angeordnet. Der Druck in dem Ventilraum (11) ist durch das Ventil (10) regelbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine mit einem Wellendichtring und einem Ventil. Die Expansionsmaschine kann beispielsweise zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Stand der Technik
Expansionsmaschinen mit einem Wellendichtring zur Abdichtung eines in der Expansionsmaschine strömenden Arbeitsmediums sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 222 010 A1 . Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine umfasst ein Getriebe mit einer Abtriebswelle und einem mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring. Die Expansionsmaschine weist einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf und wird im Betrieb mit einem Arbeitsmedium durchströmt, wobei verdichtetes Arbeitsmedium in den Einströmbereich und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich strömt. Der Wellendichtring trennt einen mit Arbeitsmedium gefüllten Getrieberaum bzw. Ventilraum von einem Umgebungsraum bzw. von einer weiteren Maschine, zum Beispiel von einem Generator.
Aufgrund des Wirkprinzips eines Wellendichtrings ist es immer vorteilhaft, wenn auf einer Seite des Wellendichtrings ein größerer Druck herrscht als auf der gegenüberliegenden Seite. Dieser Druckunterschied presst eine Dichtlippe des Wellendichtrings auf die Abtriebswelle und dichtet so die beiden Seiten gegeneinander ab. Speziell das Austreten von Arbeitsmedium aus der Expansionsmaschine wird dadurch verhindert.
In vielen Betriebspunkten wird die Expansionsmaschine im Überdruck betrieben, das heißt das entspannte Arbeitsmedium weist einen Druck auf, der über dem Atmosphärendruck liegt. Üblicherweise wird die Dichtlippe dann derart zur Abtriebswelle angeordnet, dass ein Überdruck in der Expansionsmaschine zum Umgebungsraum, welcher unter Atmosphärendruck steht, zuverlässig abgedichtet wird.
Würde die Expansionsmaschine nun mit diesem derart angeordneten Wellendichtring im Unterdruck betrieben werden, so dass das entspannte Arbeitsmedium einen gegenüber dem Atmosphärendruck geringeren Druck hätte, dann würde das höhere Druckniveau des Umgebungsraums die Dichtlippe von der Abtriebswelle abheben, und die Dichtwirkung des Wellendichtrings ging verloren; es käme somit zu Leckage von Arbeitsmedium in den Umgebungsraum.
Die DE 103 93 433 T5 offenbart eine Expansionsmaschine mit Bürstendichtungen, wobei der Druckabfall an den Bürstendichtungen reguliert wird. Die DE 22 53 839 A offenbart eine Dampfturbine mit einer Labyrinthdichtung. Die US 2 175 868 A zeigt die Steuerung eines an den Wellendichtring angrenzenden Ventilraums mit einem Ventil. Die CH 329 142 A zeigt die Ausführung eines Überdruckventils. Die US 4 630 642 A zeigt die Ausführung eines Steuerventils.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mit einem Wellendichtring und einem Ventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie sowohl im Überdruck- als auch im Unterdruckbetrieb ohne Leckage betrieben werden kann und der Wellendichtring in allen Betriebszuständen eine gute Dichtwirkung erzielt. Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine besitzt somit eine deutlich größere Spannbreite an Betriebszuständen, in denen sie ohne Leckage einsetzbar ist.
Dazu umfasst die erfindungsgemäße Expansionsmaschine eine Abtriebswelle und einen mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring. Die Expansionsmaschine weist einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf. Im Betrieb wird die Expansionsmaschine mit einem Arbeitsmedium durchströmt, wobei im Betrieb der Expansionsmaschine verdichtetes Arbeitsmedium in den Einströmbereich und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich strömt. Der Wellendichtring trennt einen mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum von einem Umgebungsraum. In der Expansionsmaschine ist ein Ventil angeordnet, und der Druck in dem Ventilraum ist durch das Ventil regelbar.
Dadurch ist der auf Seite der Expansionsmaschine auf den Wellendichtring wirkende Druck regelbar. Somit kann sichergestellt werden, dass auf den Wellendichtring an der Seite zur Expansionsmaschine der Druck immer mindestens genauso groß ist wie an der Seite zur Umgebung bzw. zum Umgebungsraum. Die Dichtheitsfunktion des Wellendichtrings ist somit über alle Betriebszustände der Expansionsmaschine, selbst wenn diese im Unterdruck betrieben wird, sichergestellt. Es kommt zu keiner Leckage des Arbeitsmediums in den Umgebungsraum.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Expansionsmaschine ein Gehäuse, wobei das Ventil in dem Gehäuse angeordnet ist. Dadurch benötigt das Ventil kein eigenes Gehäuse, sondern kann kostengünstig und bauraumsparend im Gehäuse der Expansionsmaschine angeordnet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Einströmbereich mit dem Ventilraum durch eine Drossel hydraulisch verbunden. Durch die Verbindung des Ventilraums mit dem Einströmbereich kann der Ventilraum durch das Ventil auf das Druckniveau des Einströmbereichs geregelt werden, wobei dieses Druckniveau höher ist als das Druckniveau des Umgebungsraums; dadurch wird eine gute Dichtungswirkung des Wellendichtrings erzielt. Bei geöffnetem Ventil führt die Drossel dazu, dass der Ventilraum nicht auf das – in diesem Betriebszustand für den Ventilraum auch nicht benötigte – Druckniveau des Einströmbereichs angehoben wird.
In einer alternativen Ausführung ist der Ventilraum nicht mit dem Einströmbereich verbunden sondern mit einem Bereich, der zwischen Einström- und Ausströmbereich liegt. Dadurch stellt sich bei geschlossenem Ventil ein geringerer Druck im Ventilraum ein als der Druck des Einströmbereichs. Die Belastung des Wellendichtrings wird dadurch verringert und dementsprechend seine Lebensdauer erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Ventil einen Einlasskanal, einen Auslasskanal, und einen Schließkörper. Der Schließkörper ist gemäß vorliegenden Stand der Technik kugelförmig. Der Schließkörper wirkt mit einem Ventilsitz zusammen. Der Einlasskanal mündet in den Ventilraum bzw. führt aus diesem heraus. Der Schließkörper schließt bei Anlage an dem Ventilsitz eine hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal zu dem Auslasskanal, und er öffnet die hydraulische Verbindung beim Abheben von dem Ventilsitz. Durch das Öffnen und Schließen der hydraulischen Verbindung wird der Druck im Ventilraum auf einfache Art geregelt.
Vorteilhafterweise ist der Auslasskanal zumindest mittelbar mit dem Ausströmbereich hydraulisch verbunden. Dadurch wird der Druck im Ventilraum bei geöffnetem Ventil auf das Druckniveau des Ausströmbereichs geregelt, welches in der Regel das niedrigste Druckniveau innerhalb der Expansionsmaschine ist. Dadurch wird die Belastung des Wellendichtrings bei geöffnetem Ventil minimiert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Expansionsmaschine umfasst das Ventil einen Regelungsraum und einen in den Regelungsraum mündenden Regelungskanal. Dadurch kann das Ventil pneumatisch oder hydraulisch geregelt oder sogar gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Regelungskanal mit dem Umgebungsraum oder mit der Atmosphäre hydraulisch verbunden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auf der der Expansionsmaschine abgewandten Seite des Wellendichtrings der Druck des Umgebungsraums oder der Atmosphärendruck anliegt, weil dann genau dieser Druck auch als Regelgröße für das Ventil verwendet werden kann. Weiterhin ist die Regelung mit Atmosphärendruck oder mit dem Druck des Umgebungsraums sehr kostengünstig, da ein Volumen, das ein entsprechendes Druckniveau aufweist, ohnehin in der Expansionsmaschine bzw. deren Anbauteilen oder eben in der Umgebung vorhanden ist.
Erfindungsgemäß umfasst das Ventil eine Membran, und der Regelungsraum grenzt an die Membran. Dadurch kann der Regelungsraum mediendicht, insbesondere zum Einlasskanal und zum Auslasskanal, abgetrennt werden.
Vorzugsweise besteht die Membran aus einem Metall, insbesondere aus einem dünnen Metall, oder aus einem Elastomer. Dadurch ist die Membran vergleichsweise gut deformierbar und die hydraulische Verbindung von Einlasskanal zu Auslasskanal weist bei geöffnetem Ventil dementsprechend auch einen ausreichend großen Querschnitt auf.
In einer vorteilhaften Ausführung wirkt die Membran auf ihrer dem Regelungsraum gegenüberliegenden Seite zumindest mittelbar mit dem Schließkörper zusammen. Dadurch können die Geometrien und Materialien von Membran und Schließkörper bezüglich ihrer Funktionen bestmöglich ausgewählt werden: die Membran vergleichsweise elastisch und der Schließkörper verschleißfest und vergleichsweise steif.
In einer Weiterführung wirkt die Membran unter Zwischenlage eines Hilfskolbens mit dem Schließkörper zusammen, wobei der Hilfskolben vorzugsweise in einer Führungshülse längsbeweglich geführt ist. Der Hilfskolben hat dadurch zum einen die Funktion, die Längsbewegung beim Öffnen und Schließen des Ventils möglichst reibungsarm auszuführen, beispielsweise im Zusammenwirken mit der Führungshülse. Zum anderen kann die Kraftübertragung zwischen Hilfskolben und Schließkörper so gestaltet werden, dass sich der Schließkörper beim Schließen des Ventils sehr gut in den Ventilsitz zentriert, beispielsweise durch konvexe Ausführungen der Kontaktflächen von Hilfskolben und Schließkörper.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung der Expansionsmaschine ist eine Ringkammer den Einlasskanal zumindest teilweise radial umgebend ausgebildet. Der Auslasskanal mündet in die Ringkammer, wobei der Ventilsitz zwischen dem Einlasskanal und der Ringkammer angeordnet ist. Dadurch wirken die Drücke vom Auslasskanal bzw. der Ringkammer und vom Einlasskanal in gleicher Richtung auf den Schließkörper. Steht der Auslasskanal unter geringerem Druck als Atmosphärendruck, dann ist für diesen Betriebszustand der Schließkörper mit einer vergleichsweise geringen resultierenden hydraulischen Kraft durch das Arbeitsmedium belastet. Der Schließkörper wird daher gegen den Ventilsitz gedrückt. Da der Ventilsitz zwischen der Ringkammer und dem Einlasskanal ausgebildet ist, kann über die Breite des Ventilsitzes so auch eine Drossellänge für den Betriebszustand des geöffneten Ventils eingestellt werden.
Vorteilhafterweise ist der Schließkörper eine Membran, vorzugsweise aus einem Elastomer oder einem dünnen Metall. Die Membran kann einfach, beispielsweise scheibenförmig, aufgebaut sein und ist damit kostengünstig einsetzbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist auch hier an der dem Ventilsitz gegenüberliegenden Seite der Membran ein Regelungsraum ausgebildet, der in einen Regelungskanal mündet. Der Regelungsraum kann somit über den Regelungskanal an ein Volumen angeschlossen werden, das einen Regelungsdruck aufweist, beispielsweise an die Atmosphäre oder den Umgebungsraum. Der Schließkörper bzw. die Membran ist dann von einer Seite mit diesem Regelungsdruck beaufschlagt und von der anderen Seite teilweise mit dem Druck der Ringkammer bzw. des Ausströmbereichs und teilweise mit dem Druck des Einlasskanals bzw. des Ventilraums. Durch die Flächenverhältnisse der einzelnen Flächen, auf welche die unterschiedlichen Drücke wirken, kann so das Öffnen und Schließen des Ventils geregelt werden, zum Beispiel folgendermaßen: Fällt der Druck in der Ringkammer unter den Druck des Regelungsraums, wird die Membran in den Ventilsitz gedrückt und die Druckhaltefunktion für den Ventilraum somit aktiviert.
Vorteilhafterweise ist der Regelungsraum zwischen der Membran und einem Deckel ausgebildet. Der Deckel verspannt vorzugsweise auch die Membran an ihrem Umfang, beispielweise indem er die Membran gegen das Gehäuse des Ventils bzw. der Expansionsmaschine drückt. Dadurch wird die Membran am Umfang innerhalb des Ventils fixiert. Das Öffnen und Schließen des Ventils erfolgt somit durch eine Bewegung der nicht verspannten Flächen der Membran.
Vorzugsweise ist der Regelungskanal in dem Deckel ausgebildet, wobei der Regelungskanal an seinem dem Regelungsraum gegenüberliegenden Ende vorzugsweise mit dem Umgebungsraum oder mit der Atmosphäre hydraulisch verbunden ist. Dadurch kann der Regelungskanal durch eine einfache Bohrung im Deckel kostengünstig hergestellt werden.
Speziell für den Fall, dass der Regelungsraum mit dem Umgebungsraum verbunden ist, kann der Regelungskanal alternativ auch bauraumsparend durch ein gemeinsames Gehäuse von Expansionsmaschine bzw. Ventil und Umgebungsraum geführt sein.
In bevorzugten Ausführungen ist die erfindungsgemäße Expansionsmaschine in einem Abwärmerückgewinnungssystem insbesondere einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, einen Verdampfer, die Expansionsmaschine und einen Kondensator. In einer vorteilhaften Ausführung ist der Auslasskanal hydraulisch zumindest mittelbar mit dem Kondensator verbunden. Der Ausströmbereich der Expansionsmaschine ist hydraulisch üblicherweise mit dem Kondensator verbunden und weist somit den gleichen Druck auf wie der Kondensator. Vorteilhafterweise wird der Auslasskanal dann an dieses ohnehin vorhandene Druckniveau angeschlossen. Das Abwärmerückgewinnungssystem wird vorzugsweise nicht bei einem einzigen Betriebspunkt, sondern bei sehr unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben, da auch die Brennkraftmaschine bei unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben wird. Dadurch ist es für den Gesamtwirkungsgrad des Abwärmerückgewinnungssystems sehr günstig, wenn die Expansionsmaschine sowohl im Überdruck- als auch im Unterdruckbetrieb laufen kann. Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine ist demzufolge hierfür besonders geeignet.
Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Expansionsmaschine, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ventils der Expansionsmaschine, wobei 3a das Ventil in Schließstellung und 3b das Ventil in Öffnungsstellung zeigt.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ventils, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Beschreibung
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine 20 innerhalb eines Abwärmerückgewinnungssystems 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In dem Abwärmerückgewinnungssystem 1 sind in Flussrichtung eines Arbeitsmediums eine Pumpe 30, ein Verdampfer 31, eine Expansionsmaschine 20 und ein Kondensator 32 angeordnet. Der Verdampfer 31 ist auch an eine nicht dargestellte Abgasleitung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeschlossen.
Flüssiges Arbeitsmedium wird von der Pumpe 30 verdichtet und zum Verdampfer 31 gefördert, wo es durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine verdampft wird. Anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 20 zugeführt, wo es unter Abgabe von mechanischer Energie entspannt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 32 wieder verflüssigt.
Die Expansionsmaschine 20 kann dabei beispielsweise eine Turbine, ein Kolbenexpander oder ein Scrollexpander sein. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Expansionsmaschine 20 eine Turbine mit einem Laufrad 23 und einer Abtriebswelle 24.
Die Expansionsmaschine 20 umfasst weiterhin erfindungsgemäß einen Einströmbereich 21, einen Ausströmbereich 22, einen Wellendichtring 25, ein Ventil 10, einen Ventilraum 11 und eine Trennwand 27. Das verdichtete Arbeitsmedium durchströmt den Einströmbereich 21 und den Ausströmbereich 22 und wird dabei entspannt. Die dabei abgegebene mechanische Energie wird durch die Abtriebswelle 24 an einen oder mehrere nicht dargestellte Verwerter übertragen, beispielsweise einen Turbolader, ein Getriebe oder einen Generator.
Der Einströmbereich 21 ist über eine Drossel 9 mit dem Ventilraum 11 hydraulisch zumindest mittelbar verbunden. Das Ventil 10 öffnet und schließt eine hydraulische Verbindung von dem Ventilraum 11 zu dem Ausströmbereich 22 bzw. zu dem Kondensator 32. Der Ventilraum 11 ist durch die Trennwand 27 zu dem Ausströmbereich und durch den Wellendichtring 25 zu einem Umgebungsraum 40 abgedichtet. Der Umgebungsraum 40 kann dabei beispielsweise ein Getrieberaum oder aber auch ein Atmosphärenraum sein.
Die Trennwand 27 ist in der 1 zwischen dem Ausströmbereich 22 und dem Ventilraum 11 dargestellt, muss jedoch nicht zwangsläufig so angeordnet sein. Sie soll nur verdeutlichen, dass es in den Ventilraum 11 lediglich einen hydraulischen Zufluss über die Drossel 9 und einen hydraulischen Abfluss über das Ventil 10 gibt und dass der Ventilraum 11 im Übrigen von dem Einströmbereich 21 und dem Ausströmbereich 22 getrennt ist. Weiterhin hängt die Anordnung des Ventilraums 11 davon ab, auf welcher Seite die Abtriebswelle 24 aus der Expansionsmaschine 20 herausgeführt wird, da üblicherweise an dieser Stelle der Wellendichtring 25 angeordnet ist und dementsprechend auch benachbart der Ventilraum 11 angeordnet werden muss.
In einer alternative Ausführungsform kann beispielsweise das Ventil 10 auch in der Trennwand 27 angeordnet sein; oder die Trennwand 27 kann zwischen Einströmbereich 21 und Ventilraum 11 angeordnet sein und die Drossel 9 dann in der Trennwand 27 ausgebildet sein. Entscheidend für die diversen Ausführungsformen sind dabei auch die Drücke in Einströmbereich 21, Ausströmbereich 22, Ventilraum 11 und Umgebungsraum 40; darauf wird später jedoch noch genauer eingegangen.
2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Expansionsmaschine 20, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Expansionsmaschine 20 ist als Radialturbine ausgeführt und umfasst ein Gehäuse 26, in dem das Ventil 10 angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind auch das Laufrad 23, die mit ihm fest verbundene Abtriebswelle 24 und der Wellendichtring 25 in dem Gehäuse 26 angeordnet. Weiterhin sind in dem Gehäuse 26 der Einströmbereich 21, der Ausströmbereich 22 und der Ventilraum 11 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel der 2 kann die in der 1 schematisch dargestellte Trennwand 27 somit aus einem Verbund von Laufrad 23 und Abtriebswelle 24 gesehen werden.
Der Ventilraum 11 ist vorteilhafterweise an einer Rückseite 23b des Laufrads 23 ausgebildet, also auf der dem eigentlichen Strömungspfad des Arbeitsmediums durch das Laufrad 23 abgewandten Seite. Dadurch kann ein im Ventilraum 11 gegenüber dem Ausströmbereich 22 herrschender Überdruck einen zumindest teilweisen Ausgleich der auf das Laufrad 23 wirkenden Drücke bzw. Kräfte in axialer Richtung bewirken. Der Wellendichtring 25 dichtet den Ventilraum 11 zu dem Umgebungsraum 40 ab, indem eine auf dem Wellendichtring 25 angeordnete Dichtlippe 25a mit der Abtriebswelle 24 zusammenwirkt.
Der Übergang vom Einströmbereich 21 zum Ausströmbereich 22 ist keine klar zu definierende Grenze. Das Arbeitsmedium wird beim Durchströmen des Laufrads 23 auf dessen Vorderseite 23a entspannt, wobei durch die Entspannung ein Druckgefälle über dem Laufrad 23 bzw. über der Vorderseite 23a entsteht, so dass hier der Einströmbereich 21 nicht eindeutig vom Ausströmbereich 22 zu trennen ist, sondern sich eine Art Mischbereich ausbildet, in welchem der Druck von einem Einlassdruck vor der Expansionsmaschine 20 zu einem Auslassdruck nach der Expansionsmaschine 20 fällt.
Der Ventilraum 11 ist über die Drossel 9 hydraulisch mit dem Einströmbereich 21 verbunden. In alternativen Ausführungsformen kann der Ventilraum 11 jedoch auch mit dem Mischbereich verbunden sein. Es ist jedoch darauf zu achten, dass an der Drossel 9 der dem Ventilraum 11 gegenüberliegende Bereich – unabhängig davon ob Einströmbereich 21 oder Mischbereich – im Betrieb der Expansionsmaschine 20 einen größeren Druck aufweist als der Umgebungsraum 40.
Das Ventil 10 umfasst einen Einlasskanal 12, einen Auslasskanal 13, einen kugelförmigen Schließkörper 15 und eine aus dem Stand der Technik bekannte Schließfeder 16. Der Einlasskanal 12 mündet in den Ventilraum 11. Der Auslasskanal 13 mündet vorteilhafterweise in einen Bereich, der einen geringeren Druck aufweist als der Ventilraum 11, zum Beispiel in den Ausströmbereich 22. Der Schließkörper 15 wirkt mit einem an dem Gehäuse 26 ausgebildeten Ventilsitz 26a zusammen und öffnet und schließt dadurch eine hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu dem Auslasskanal 13. Die Schließfeder 16 drückt den Schließkörper 15 gegen den Ventilsitz 26a. Durch die Schließfeder 16 kann somit ein Mindestdruck in dem Ventilraum 11 eingestellt werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Ventils 10, wobei 3a das Ventil 10 in Schließstellung und 3b das Ventil 10 in Öffnungsstellung zeigt. Das Ventil 10 ist in dem Gehäuse 26 der Expansionsmaschine 20 angeordnet. Alternativ kann das Ventil 10 jedoch auch in einem beliebigen anderen Gehäuse angeordnet sein.
Der Einlasskanal 12 ist in einer Einlassleitung 12a und der Auslasskanal 13 in einer Auslassleitung 13a ausgebildet. Die Einlassleitung 12a und die Auslassleitung 13a sind in das Gehäuse 26 eingepresst oder eingeschraubt. Sowohl der Einlasskanal 12 als auch der Auslasskanal 13 münden in einen im Gehäuse 26 ausgebildeten Innenraum 50. Im Innenraum 50 ist zwischen Einlassleitung 12a und Auslassleitung 13a am Gehäuse 26 der Ventilsitz 26a angeordnet, mit dem der im Innenraum 50 angeordnete Schließkörper 15 zusammenwirkt. Der Schließkörper 15 wird in Schließstellung des Ventils 10 von einer Membran 51, welche in diesem Ausführungsbeispiel wie eine Blattfeder wirkt, unter Zwischenlage eines Hilfskolbens 52 gegen den Ventilsitz 26a gedrückt (3a). In Öffnungsstellung des Ventils 10 ist der Schließkörper 15 von dem Ventilsitz 26a abgehoben und öffnet so die hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu dem Auslasskanal 13 (3b).
Der Hilfskolben 52 ist von einer fest mit dem Gehäuse 26 verbundenen Führungshülse 53 längsbeweglich, also in Öffnungs- und Schließrichtung des Schließkörpers 15, im Gehäuse 26 geführt. Die Membran 51 ist mit einem Klemmstück 54 an ihrem Rande fest mit der Führungshülse 53 und somit auch mittelbar mit dem Gehäuse 26 verbunden. Ein Deckel 55 ist mit dem Gehäuse 26 verschraubt und drückt dadurch das Klemmstück 54 unter Zwischenlage des Randes der Membran 51 gegen die Führungshülse 53; die Membran 51 ist somit an ihrem Umfang mit dem Gehäuse 26 verspannt. Der Kontakt zwischen Führungshülse 53 und Schließkörper 15 kann beispielsweise konvex gestaltet sein, um das selbständige Zentrieren des Schließkörpers 15 im Ventilsitz 26a zu optimieren.
Zwischen Membran 51, Klemmstück 54 und Deckel 55 ist ein Regelungsraum 60 ausgebildet. Die Membran 51 dichtet dabei den Regelungsraum 60 gegen den Innenraum 50 ab. In den Regelungsraum 60 mündet ein Regelungskanal 14. Der Regelungskanal 14 kann, wie im Ausführungsbeispiel der 3, eine Bohrung im Deckel 55 sein. Der Regelungskanal 14 kann jedoch beispielsweise auch in einer Regelungsleitung ausgebildet sein, welche in den Deckel 55 oder in das Gehäuse 26 eingeschraubt oder eingepresst ist.
In alternativen Ausführungsformen können die Führungshülse 53 und/oder das Klemmstück 54 auch weggelassen werden. Die entsprechenden Funktionen – Verspannen der Membran 51 und Führung des Hilfskolbens 52 – werden dann beispielsweise in die beiden Bauteile Gehäuse 26 und Deckel 55 integriert. Weiterhin ist es auch möglich den Hilfskolben 52 wegzulassen und die Membran 51 direkt auf den Schließkörper 15 wirken zu lassen.
Vorzugsweise sind der Regelungskanal 14 mit der Atmosphäre, der Einlasskanal 12 mit dem Ventilraum 11 und der Auslasskanal 13 mit dem Ausströmbereich 22 hydraulisch verbunden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ventils 10, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Ventil 10 ist in dem Gehäuse 26 der Expansionsmaschine 20 angeordnet. Alternativ kann das Ventil 10 jedoch auch in einem beliebigen anderen Gehäuse angeordnet sein.
In dem Gehäuse 26 sind der Einlasskanal 12 und der Auslasskanal 13 angeordnet. Eine Membran 51' ist zwischen dem Gehäuse 26 und dem Deckel 55 eingespannt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Membran 51' die Funktion des Schließkörpers hat. Der Deckel 55 ist mit dem Gehäuse 26 verschraubt. Im Deckel 55 ist der Regelungskanal 14 ausgebildet. Zwischen dem Deckel 55 und der Membran 51' ist der Regelungsraum 60 ausgebildet, in welchen der Regelungskanal 14 mündet.
An der dem Regelungsraum 60 gegenüberliegenden Seite dichtet die Membran 51' in Schließstellung des Ventils 10 den Einlasskanal 12 ab, indem sie mit dem am Gehäuse 26 ausgebildeten Ventilsitz 26a zusammenwirkt. Den Einlasskanal 12 zumindest teilweise radial umgebend ist im Gehäuse 26 eine Ringkammer 61 ausgebildet, in die der Auslasskanal 13 mündet. In Schließstellung des Ventils 10 ist die hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu der Ringkammer 61 durch Anlage der Membran 51' an den Ventilsitz 26a geschlossen. In Öffnungsstellung des Ventils 10 ist die Membran 51' von dem Ventilsitz 26a abgehoben und damit die hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal 12 zu der Ringkammer 61 geöffnet.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Expansionsmaschine 20 ist wie folgt:
Der Wellendichtring 25 dichtet den mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum 11 zum Umgebungsraum 40 ab. Der Umgebungsraum 40 kann dabei beispielsweise mit Luft oder mit Getriebeöl gefüllt sein. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die Dichtlippe 25a des Wellendichtrings 25 in Richtung Ventilraum 11, also zur Expansionsmaschine hin gekrümmt. Dies ist eine für eine Expansionsmaschine 20 typische Anordnung der Dichtlippe 25a. Das heißt im Ventilraum 11 muss ein größerer Druck herrschen als im Umgebungsraum 40, um die Dichtlippe 25a auf die Abtriebswelle 24 zu drücken und damit eine Dichtungswirkung zu erzielen. Das Ventil 10 ist vorzugsweise in Expansionsmaschinen 20 angeordnet, welche zumindest zeitweise im Unterdruck betrieben werden; das heißt der Ausströmbereich 22 dieser Expansionsmaschinen 20 weist zumindest zeitweise einen geringeren Druck als Atmosphärendruck auf.
Üblicherweise liegt das Druckniveau des Ventilraums 11 auf dem Niederdruckniveau der Expansionsmaschine 20, also auf dem Druckniveau des Ausströmbereichs 22. Ist der Ventilraum 11 also hydraulisch mit dem Ausströmbereich 22 verbunden bzw. verbindbar, so muss er durch eine Vorrichtung auf einem Druckniveau gehalten werden, welches über dem des Umgebungsraums 40 liegt, um die Dichtwirkung durch den Wellendichtring 25 zu erhalten. Und damit muss der Ventilraum 11 auch über dem Druckniveau des Ausströmbereichs 22 gehalten werden, falls dieses unter das Druckniveau des Umgebungsraums 40 fällt.
Diese Aufgabe erfüllt das Ventil 10: Bei geöffnetem Ventil 10 ist die hydraulische Verbindung vom Ventilraum 11 zum Ausströmbereich 22 geöffnet, der Ventilraum 11 wird somit das Druckniveau des Ausströmbereichs 22 annehmen. Solange der Ausströmbereich 22 einen größeren oder gleich hohen Druck besitzt wie der Umgebungsraum 40, wird dadurch also noch eine Dichtungswirkung des Wellendichtrings 25 erzielt. Fällt der Druck im Ausströmbereich 22 nun unter den Druck des Umgebungsraums 40, beispielsweise weil die Expansionsmaschine 20 im Unterdruck betrieben wird, so wird das Ventil 10 geschlossen und damit die hydraulische Verbindung vom Ventilraum 11 zum Ausströmbereich 22.
Der Ventilraum 11 ist über die Drossel 9 hydraulisch ständig mit einem Bereich verbunden, dessen Druckniveau im Betrieb der Expansionsmaschine 20 über dem Druckniveau des Umgebungsraums 40 liegt, zum Beispiel mit dem Einströmbereich 21, wie in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 dargestellt. Bei geschlossenem Ventil 10 steigt der Druck im Ventilraum 11 somit auf das Druckniveau dieses Bereichs an. Wird das Ventil 10 geöffnet, so entsteht an der Drossel 9 ein Druckgefälle.
Die Regelung der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventils 10, damit im Betrieb der Expansionsmaschine 20 auch bei minimalem Druck des Auslasskanals 13 bzw. des Ausströmbereichs 22 bzw. des Kondensators 32 noch ein Überdruck im Ventilraum 11 gegenüber dem Umgebungsraum 40 vorhanden ist, erfolgt in den unterschiedlichen Ausführungsformen auf verschiedene Weise:

– In der Ausführungsform der 2 erfolgt die Regelung durch Einstellung der Schließfeder 16 im Zusammenhang mit dem Sitzdurchmesser des Ventilsitzes 26a. Zum Beispiel: Wird der Kondensator 32 mit p_K = 0,5 bar absolut betrieben und weist der Umgebungsraum 40 Atmosphärendruck, also p_U = 1,0 bar auf, dann muss die Schließfeder 16 eine Druckhaltefunktion von p_V = 0,7 bar besitzen (hier müssen die hydraulischen Kräfte aufgrund des Sitzdurchmessers des Ventilsitzes 26a berücksichtigt werden), damit an der Wellendichtung 25 eine Druckdifferenz Δp = 0,2 bar zur Abdichtung des Ventilraums 11 gegen den Umgebungsraum 40 herrscht. (Δp = p_K + p_V – p_U)
– In der Ausführungsform der 3 erfolgt die Regelung durch die Durchmesser des Hilfskolbens 52 und des Ventilsitzes 26a. In Varianten, in denen der Hilfskolben 52 weggelassen wird, wird dementsprechend der relevante Durchmesser der Membran 51, an dem der Druck des Innenraums 50 anliegt, zur Regelung herangezogen.
– In der Ausführungsform der 4 erfolgt die Regelung durch die Durchmesser von Ventilsitz 26a, Ringkammer 61 und Regelungsraum 60. Dabei sind vorzugsweise die Durchmesser von Ringkammer 61 und Regelungsraum 60 in etwa gleich groß. Der Durchmesser des Regelungsraums 60 muss jedoch größer als der Durchmesser des Ventilsitzes 26a sein.

Die Steifigkeit der Membran 51, 51' hat selbstverständlich eine Auswirkung auf das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils 10 in den Ausführungsformen der 3 und 4. Idealerweise ist die Membran 51, 51' weich ausgelegt, beispielsweise als Elastomer-Membran oder auch als dünne metallische Membran, um das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils 10 einfach und robust über die oben genannten Durchmesser auslegen zu können.

Claims

Expansionsmaschine (20) mit einer Abtriebswelle (24) und einem mit der Abtriebswelle zusammenwirkenden Wellendichtring (25), wobei die Expansionsmaschine (20) einen Einströmbereich (21) und einen Ausströmbereich (22) aufweist und im Betrieb mit einem Arbeitsmedium durchströmt wird, wobei im Betrieb verdichtetes Arbeitsmedium in den Einströmbereich (21) und entspanntes Arbeitsmedium aus dem Ausströmbereich (22) strömt, und wobei der Wellendichtring (25) einen mit Arbeitsmedium gefüllten Ventilraum (11) von einem Umgebungsraum (40) trennt, wobei ein Ventil (10) in der Expansionsmaschine (20) angeordnet ist und der Druck in dem Ventilraum (11) durch das Ventil (10) regelbar ist, wobei das Ventil (10) einen Einlasskanal (12), einen Auslasskanal (13), und einen Schließkörper (15) umfasst, wobei der Schließkörper (15) mit einem Ventilsitz (26a) zusammenwirkt, wobei der Einlasskanal (12) in den Ventilraum (11) mündet, und wobei der Schließkörper (15) bei Anlage an dem Ventilsitz (26a) eine hydraulische Verbindung von dem Einlasskanal (12) zu dem Auslasskanal (13) schließt und beim Abheben von dem Ventilsitz (26a) die hydraulische Verbindung öffnet, wobei das Ventil (10) einen Regelungsraum (60) und einen in den Regelungsraum (60) mündenden Regelungskanal (14) umfasst, wobei das Ventil (10) eine Membran (51) umfasst und wobei der Regelungsraum (60) an die Membran (51) grenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (51) auf ihrer dem Regelungsraum (60) gegenüberliegenden Seite unter Zwischenlage eines Hilfskolbens (52) mit dem Schließkörper (15) zusammenwirkt, wobei der Hilfskolben (52) in einer Führungshülse (53) längsbeweglich geführt ist.
Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (20) ein Gehäuse (26) umfasst und das Ventil (10) in dem Gehäuse (26) angeordnet ist.
Expansionsmaschine (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (21) mit dem Ventilraum (11) durch eine Drossel (9) hydraulisch verbunden ist.
Expansionsmaschine (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (13) zumindest mittelbar mit dem Ausströmbereich (22) hydraulisch verbunden ist.
Expansionsmaschine (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungskanal (14) mit dem Umgebungsraum (40) oder mit der Atmosphäre hydraulisch verbunden ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (1) mit einer Expansionsmaschine (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einem Kondensator (32), einer Pumpe (30) und einem Verdampfer (31).