具有轴密封环和阀的膨胀机的制作方法

本发明涉及一种具有轴密封环和阀的膨胀机。所述膨胀机能够例如用于内燃机的余热利用。

背景技术：

从现有技术、例如从公开文献de102012222010a1已知具有轴密封环的膨胀机，该轴密封环用于密封在膨胀机中流动的工作介质。根据本发明的膨胀机包括具有从动轴和与该从动轴共同作用的轴密封环的传动装置。膨胀机具有流入区域和流出区域并且在运行中以工作介质穿流，其中，被压缩的工作介质流到流入区域中并且降低压力的工作介质从流出区域流出。轴密封环将以工作介质填充的传动装置室或者说阀室与环境室或者说与另外的机器、例如与发生器分隔开。

基于轴密封环的作用原理，总是有利的是，与在相对置的侧上相比，更大压力在轴密封环的一侧上占主导。这种压力差将轴密封环的密封唇压到从动轴上并且因此使两侧相对彼此密封。特别地，由此防止工作介质从膨胀机逸出。

在多个运行点中，膨胀机以超压运行，也就是说，降低压力的工作介质具有在大气压之上的压力。那么通常密封唇这样相对于从动轴布置：使得在膨胀机中相对于环境室的超压被可靠地密封，所述环境室处于大气压下。

如果现在具有这种这样布置的轴密封环的膨胀机以负压运行，从而降低压力的工作介质会具有相对于大气压更小的压力，那么环境室的较高的压力水平会使密封唇从从动轴抬起，并且轴密封环的密封作用丧失；因此可能导致工作介质泄漏到环境室中。

技术实现要素：

根据本发明具有轴密封环和阀的膨胀机与之相对地具有下述优点：该膨胀机不但能够以超压运行方式而且能够以负压运行方式无泄漏地运行，并且轴密封环在所有运行状态下实现好的密封作用。因此，根据本发明的膨胀机在运行状态上具有显著更大的范围，在所述运行状态下膨胀机能够没有泄漏地使用。

为此，根据本发明的膨胀机包括从动轴和与从动轴共同作用的轴密封环。膨胀机具有流入区域和流出区域。在运行中，膨胀机以工作介质穿流，其中，在膨胀机运行时，被压缩的工作介质流到流入区域中，并且降低压力的工作介质从流出区域流出。轴密封环把以工作介质填充的阀室与环境室分隔开。在膨胀机中布置有阀，并且在阀室中的压力能够由所述阀调节。

由此，能够调节在膨胀机的侧上作用到轴密封环上的压力。因此，能够确保，在朝向膨胀机的侧上施加到轴密封环上的压力与在朝向环境或者说朝向环境室的侧上总是至少同样大。因此，在膨胀机的所有运行状态上、即使当所述膨胀机以负压运行时也确保轴密封环的密封功能。这不会导致工作介质泄漏到环境室中。

在一种有利的扩展方案中，膨胀机包括壳体，其中，阀布置在壳体中。由此，阀不需要自身的壳体，而能够成本有利地和节省安装空间地布置在膨胀机的壳体中。

在一种有利的扩展方案中，所述流入区域与所述阀室通过节流装置液压地连接。通过阀室与流入区域的连接，该阀室能够通过该阀调节到流入区域的压力水平上，其中，该压力水平比环境室的压力水平更高；由此得到轴密封环的好的密封作用。在阀打开的情况下，节流装置引起：阀室不被提高到流入区域的压力水平，在这种运行状态下对于阀室也不需要的该压力水平。

在一种替代的实施方案中，阀室不与流入区域连接，而是与位于流入区域和流出区域之间的区域连接。由此，在阀关闭的情况下，在阀室中调到比流入区域的压力更小的压力。由此减小轴密封环的负荷并且与之相应地提高其使用寿命。

在一种有利的扩展方案中，所述阀包括入口通道、排口通道和关闭体。所述关闭体优选地为球形。所述关闭体与阀座共同作用。入口通道通到阀室中或者说从该阀室导出。在贴靠在阀座上时，该关闭体关闭从入口通道到排口通道的液压连接，并且该关闭体在从阀座上抬起时打开所述液压连接。通过液压连接的打开和关闭以简单的方式调节在阀室中的压力。

有利地，排口通道至少间接地与流出区域液压地连接。由此，在阀打开的情况下将在阀室中的压力调节到流出区域的压力水平上，该压力水平通常是在膨胀机内部的最低的压力水平。由此，使轴密封环在阀打开的情况下的负荷最小。

在膨胀机的一种有利的扩展方案中，该阀包括调节室和通到调节室中的调节通道。由此，能够气动地或者液压地调节或者甚至控制所述阀。

在一种有利的扩展方案中，调节通道与环境室或者与大气液压地连接。尤其当在轴密封环的、背离膨胀机的侧上施加环境室的压力或者大气压(因为这种压力恰好也能够作为用于阀的调节参量使用)时，这是有利的。此外，利用大气压或者利用环境室的压力进行调节是非常成本有利的，因为具有相应的压力水平的体积本来存在于膨胀机中或者说膨胀机的构件中或者正好存在于环境中。

在一种有利的扩展方案中，阀包括膜片，并且调节室限界到膜片上。由此，能够使调节室尤其相对于入口通道和相对于排口通道介质密封地隔开。

有利地，所述膜片由金属、尤其由薄的金属或者由弹性体制成。由此，膜片能够相对好地变形，并且，在阀打开的情况下，从入口通道到排口通道的液压连接与之相应地也具有足够大的横截面。

在一种有利的实施方案中，膜片在其与调节室相对置的侧上至少间接地与关闭体共同作用。由此，膜片和关闭体的几何形状和材料能够在其功能方面尽可能好地选择：膜片是相对有弹性的，并且关闭体是耐磨损的和相对硬的。

在一种扩展方案中，膜片与关闭体在辅助活塞处于膜片与关闭体之间的情况下共同作用，其中，辅助活塞优选地在引导套筒中可纵向运动地被引导。由此，一方面，辅助活塞具有下述功能：在打开和关闭所述阀时尽可能少摩擦地实施纵向运动，例如与引导套筒共同作用地实施。另一方面，在辅助活塞和关闭体之间的力传递能够如此设计：使得关闭体在阀关闭时非常好地对中到阀座中，例如通过辅助活塞和关闭体的接触面的凸形的实施方式。

在膨胀机的另一种有利的实施方案中，环腔至少部分地在径向上包围入口通道地构造。排口通道通到该环腔中，其中，阀座布置在入口通道和环腔之间。由此，排口通道的或者说环腔的压力和入口通道的压力在相同方向上作用到关闭体上。如果排口通道处于比大气压更小的压力下，那么对于这种运行状态，关闭体以相对小的由于工作介质导致的液压力加负荷。因此，关闭体被压向阀座。因为阀座构造在环腔和入口通道之间，因此也能够在阀座的宽度范围内出现用于打开的阀的运行状态的节流装置长度。

有利地，关闭体是膜片，优选地由弹性体或者薄的金属制成。膜片能够简单地、例如盘状地构造，并且由此能够成本有利地使用。

在一种有利的扩展方案中，在这里，在膜片的、与阀座相对置的侧上构造调节室，该调节室通到调节通道中。因此，调节室能够通过调节通道衔接到具有调节压力的体积上，例如衔接到大气或者环境室上。那么，关闭体或者说膜片从一侧利用这种调节压力加载，并且从另一侧部分地利用环腔的或者说流出区域的压力加载和部分地利用入口通道的或者说阀室的压力加载。因此，通过各个面的面积比例关系(不同的压力作用到所述各个面上)能够调节阀的打开和关闭，例如如下调节：如果在环腔中的压力降到调节室的压力以下，则膜片被压到阀座中并且因此激活用于阀室的压力保持功能。

有利地，调节室构造在膜片和盖之间。优选地，所述盖也将膜片在其周缘上夹紧，例如其方式是，所述盖将膜片压向阀的或者说膨胀机的壳体。由此，将膜片固定在阀内部的周缘上。因此，通过膜片的未被夹紧的面的运动进行阀的打开和关闭。

优选地，调节通道构造在盖中，其中，调节通道在其与调节室相对置的端部上优选地与环境室或者与大气液压地连接。由此，调节通道能够通过在盖中的简单的钻孔而成本有利地制造。

特别是对于调节室与环境室连接的情况，替代地，调节通道也能够节省安装空间地被膨胀机的或者说阀和环境室的共同的壳体引导。

在一些优选的实施方案中，根据本发明的膨胀机布置在余热回收系统中，尤其内燃机的余热回收系统中。余热回收系统沿着工作介质的流向包括泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器。在一种有利的实施方案中，排口通道至少间接地与冷凝器液压地连接。膨胀机的流出区域通常与冷凝器液压地连接，并且因此具有与冷凝器相同的压力。有利地，排口通道然后衔接到这种本来存在的压力水平上。优选地，余热回收系统不在唯一的运行点中、而在非常不同的运行点中运行，因为在内燃机也在不同的运行点中运行。由此，对于余热回收系统的总体有效系数非常有利的是，膨胀机不但能够超压运行方式而且能够以负压运行方式运行。因此，根据本发明的膨胀机特别适合于此。

附图说明

图1示意性地示出在余热回收系统内部的、根据本发明的膨胀机，其中，仅仅示出重要的区域。

图2示意性地示出膨胀机的一种实施例，其中，仅仅示出重要的区域。

图3示出膨胀机的阀的一种实施例，其中，图3a示出在关闭位置中的阀并且图3b示出在打开位置中的阀。

图4示出阀的另一种实施例，其中，仅仅示出重要的区域。

具体实施方式

图1示意性地示出在余热回收系统1内部的根据本发明的膨胀机20，其中，仅仅示出重要的区域。在该余热回收系统1中沿着工作介质的流向布置有泵30、蒸发器31、膨胀机20和冷凝器32。蒸发器31也衔接到未示出的内燃机的未示出的废气管上。

液态的工作介质被泵30压缩并且被输送至蒸发器31，在那里，所述工作介质被内燃机的废气的热能蒸发。接着，被蒸发的工作介质引向膨胀机20，在那里，所述被蒸发的工作介质在释放机械能的情况下降低压力。接着，工作介质在冷凝器32中又被液化。

在此，膨胀机20能够是例如涡轮机、活塞式膨胀机或者涡旋式膨胀机。在图1的实施例中，膨胀机20是具有转动轮23和从动轴24的涡轮机。

此外，根据本发明，膨胀机20包括流入区域21、流出区域22、轴密封环25、阀10、阀室11和分隔壁27。被压缩的工作介质穿流该流入区域21和该流出区域22并且在此降低压力。在此释放的机械能通过从动轴24传递到一个或多个未示出的使用方(verwerter)，例如涡轮增压器、变速器或者发电机。

流入区域21通过节流装置9与阀室11至少间接地液压地连接。阀10打开和关闭从阀室11到流出区域22或者说到冷凝器32的液压连接。阀室11通过分隔壁27相对于流出区域密封并且通过轴密封环25相对于环境室40密封。在此，环境室40能够是例如变速器室但或者也能够是大气室。

分隔壁27在图1中在流出区域22和阀室11之间示出，然而不必强制性地这样布置。所述分隔壁仅仅要说明，在阀室11中存在着仅仅一个通过节流装置9的液压流入口和通过阀10的液压流出口，并且阀室11此外与流入区域21和流出区域22分隔开。此外，阀室11的布置取决于从动轴24在哪个侧上从膨胀机20引出来，因为通常在该位置上布置轴密封环25，并且与之相应地也必须邻近于阀室11布置。

在一种替代的实施方式中，阀10例如也能够布置在分隔壁27中；或者分隔壁27能够布置在流入区域21和阀室11之间，并且节流装置9能够构造在分隔壁27中。在此，在流入区域21、流出区域22、阀室11和环境室40中的压力对于各种实施方式也是决定性的；然而稍后还要对此更详细地探讨。

图2示意性地示出膨胀机20的一种实施例，其中，仅仅示出重要的区域。膨胀机20实施为径流式涡轮机并且包括壳体26，在所述壳体中布置有阀10。有利地，转动轮23、与其固定地连接的从动轴24和轴密封环25也布置在壳体26中。此外，在壳体26中构造流入区域21、流出区域22和阀室11。因此，在图2的实施例中可见由转动轮23和从动轴24的复合结构组成的、在图1中示意性地示出的分隔壁27。

有利地，阀室11构造在转动轮23的背侧23b上、即在背离工作介质穿过转动轮23的自身的流动路径的侧上。由此，在阀室11中占主导的相对于流出区域22的超压能够导致作用到转动轮23上的压力或者说力在轴向方向上至少部分地平衡。轴密封环25相对于环境室40密封阀室11，其方式是，布置在轴密封环25上的密封唇25a与从动轴24共同作用。

从流入区域21到流出区域22的过渡不是能清楚地定义的边界。工作介质在穿流转动轮23时在其前侧23a上降低压力，其中，通过降低压力，在转动轮23上或者说在前侧23a上出现压力下降，使得在此流入区域21不会明确地与流出区域22分隔开，而是构成一种混合区域的类型，在该混合区域中，压力从在膨胀机20之前的入口压力下降到膨胀机20之后的排口压力。

阀室11通过节流装置9与流入区域21液压地连接。然而在一些替代的实施方式中，阀室11也能够与所述混合区域连接。然而要注意，在节流装置9上，与阀室11相对置的区域(无关于是流入区域21还是混合区域)在膨胀机20运行时具有比环境室40更大的压力。

阀10包括入口通道12、排口通道13、球形的关闭体15和关闭弹簧16。入口通道12通到阀室11中。有利地，排口通道13通到具有比阀室11更小的压力的区域中、例如通到流出区域22中。关闭体15与构造在壳体26上的阀座26a共同作用，并且由此打开和关闭从入口通道12到排口通道13的液压连接。关闭弹簧16将关闭体15压向阀座26a。因此，能够通过关闭弹簧16调设在阀室11中的最小压力。

图3示出阀10的实施例，其中，图3a示出在关闭位置中的阀10并且图3b示出在打开位置中的阀10。阀10布置在膨胀机20的壳体26中。替代地，然而阀10也能够布置在任意的其它壳体中。

入口通道12构造在入口管道12a中，并且排口通道13构造在排口管道13a中。入口管道12a和排口管道13a被压入或者旋入到壳体26中。不但入口通道12而且排口通道13都通到构造在壳体26中的内室50中。在内室50中，在入口管道12a和排口管道13a之间在壳体26上布置有阀座26a，布置在内室50中的关闭体15与所述阀座共同作用。关闭体15在阀10的关闭位置中被膜片51在辅助活塞52处于其间的情况下压向阀座26a(图3a)，所述膜片在该实施例中如板簧那样起作用。在阀10的打开位置中，关闭体15从阀座26a上抬起，并且因此打开从入口通道12到排口通道13的液压连接(图3b)。

辅助活塞52被与壳体26固定地连接的引导套筒53在壳体26中可纵向移动地引导，即在关闭体15的打开方向和关闭方向上引导。膜片51利用夹紧件54在其边缘上固定地与引导套筒53连接，并且因此也间接地与壳体26连接。盖55与壳体26螺纹拧紧并且由此将夹紧件54在膜片51的边缘处于其间的情况下压向引导套筒53；因此，膜片51在其周缘上与壳体26夹紧。在引导套筒53和关闭体15之间的接触部能够例如凸出地构造，以便优化关闭体15在阀座26a中自主的对中。

在膜片51、夹紧件54和盖55之间构造调节室60。在此，膜片51相对于内室50密封调节室60。调节通道14通到调节室60中。调节通道14能够如在图3的实施例中那样是在盖55中的钻孔。然而，调节通道14例如也能够构造在调节管道中，该调节管道被旋入或者压入到盖55中或者壳体26中。

在一些替代的实施方式中，也能够省去引导套筒53和/或夹紧件54。那么，相应的功能(膜片51的夹紧和辅助活塞52的引导)例如集成到壳体26和盖55这两个构件中。此外，也可行的是，省去辅助活塞52并且膜片51能够直接作用到关闭体15上。

优选地，调节通道14与大气、入口通道12与阀室11并且排口通道13与流出区域22液压地连接。

图4示出阀10的另一个实施例，其中，仅仅示出重要的区域。阀10布置在膨胀机20的壳体26中。然而替代地，阀10也能够布置在任意的其它壳体中。

在壳体26中布置有入口通道12和排口通道13。膜片51’在壳体26和盖55之间夹紧，其中，在该实施例中，膜片51’具有关闭体的功能。盖55与壳体26螺旋拧紧。在盖55中构造调节通道14。在盖55和膜片51’之间构造调节室60，调节通道14通到所述调节室中。

在与调节室60相对置的侧上，膜片51’在阀10的关闭位置中密封入口通道12，其方式是，所述膜片与构造在壳体26上的阀座26a共同作用。以至少部分地在径向上包围入口通道12的方式在壳体26中构造环腔61，排口通道13通到所述环腔中。在阀10的关闭位置中，通过膜片51’在阀座26a上的贴靠而关闭从入口通道12到环腔61的液压连接。在阀10的打开位置中，膜片51’从阀座26a上抬起并且由此打开从入口通道12至环腔61的液压连接。

根据本发明的膨胀机20的作用方式如下：

轴密封环25相对于环境室40密封以工作介质填充的阀室11。在此，环境室40能够例如利用空气或者利用变速器油填充。在图2的实施例中，轴密封环25的密封唇25a向阀室11的方向、即朝向膨胀机弯曲。对于膨胀机20来说这是密封唇25a的一种典型的布置。这意味着，与在环境室40中相比，在阀室11中更大的压力必须占主导，以便将密封唇25a压到从动轴24上并且由此实现密封作用。优选地，阀10布置在膨胀机20中，所述膨胀机至少有时以负压运行；也就是说，该膨胀机20的流出区域22至少有时具有比大气压更小的压力。

通常，阀室11的压力水平处于膨胀机20的低压水平上、即在流出区域22的压力水平上。那么，如果阀室11与流出区域22液压地连接或者说能够连接，则所述阀室必须通过一设备保持在下述压力水平上：该压力水平处于环境室40的压力水平之上，以便通过轴密封环25获得密封作用。并且因此，如果所述流出区域的压力水平下降到环境室40的压力水平以下，也必须使阀室11保持在流出区域22的压力水平之上。

阀10满足下述任务：在阀10打开时，打开从阀室11到流出区域22的液压连接，阀室11因此具有流出区域22的压力水平。只要流出区域22具有与环境室40相比更大的压力或者同样高的压力，那么由此仍实现轴密封环25的密封作用。现在，如果在流出区域22中的压力下降到环境室40的压力以下(例如因为膨胀机20以负压运行)，则关闭阀10并且由此关闭从阀室11到流出区域22的液压连接。

阀室11通过节流装置9持续地与一区域液压地连接、例如与流入区域21液压地连接，如在图1和2的实施例中所示出的那样，所述区域的压力水平在膨胀机20运行中处于环境室40的压力水平以上。在阀10关闭的情况下，在阀室11中的压力因此提高到该区域的压力水平上。如果阀10打开，则在节流装置9上产生压力下降。

在膨胀机20运行中，也在排口通道13的或者说流出区域22的或者说冷凝器32的最小压力的情况下，在阀室11中还存在着相对于环境室40的超压，与此同时，阀10的打开运动和关闭运动的调节在不同的实施方式中以不同的方式进行：

-在图2的实施方式中，通过与阀座26a的座直径相关联地调设关闭弹簧16进行调节。例如：如果冷凝器32以绝对压力pk＝0.5bar运行，并且环境室40具有大气压，即pu＝1.0bar，那么关闭弹簧16必须具有pv＝0.7bar的压力保持功能(在这里，必须考虑基于阀座26a的座直径的液压力)，因此，在轴密封环25上，用于相对于环境室40密封阀室11的压力差δp＝0.2bar占主导。(δp＝pk+pv-pu)

-在图3的实施方式中，通过辅助活塞52的和阀座26a的直径进行调节。在一些变型中省去辅助活塞52，在这些变型中，与之相应地考虑膜片51的相关直径用于调节，内室50的压力施加在所述直径上。

-在图4的实施方式中，通过阀座26a、环腔61和调节室60的直径进行调节。在此，环腔61和调节室60的直径优选地大约同样大。然而，调节室60的直径必须大于阀座26a的直径。

在图3和4的实施方式中，膜片51、51’的刚性当然具有对阀10的打开特性和关闭特性的影响。理想地，膜片51、51’软地设计，例如设计为弹性体膜片或者也设计为薄的金属膜片，以便能够简单地和牢固地关于以上所提到的直径来设计阀10的打开特性和关闭特性。