CN209524668U - 一种超临界二氧化碳冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超临界二氧化碳冷却系统，包括温度检测装置、压力检测装置、油位检测装置、控制器和动作执行结构，温度检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，压力检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，油位检测装置安装于油箱，温度检测装置的输出端、压力检测装置的输出端和油位检测装置的输出端均连接控制器的输入端，控制器的输出端连接动作执行结构的输入端。本实用新型通过控制器配合温度检测装置、压力检测装置和油位检测装置，使得系统管路二氧化碳符合超临界状态的温度和压力要求并能与油一起喷出，避免了管路堵塞等现象的发生，更加可靠且智能化程度更高。本实用新型可广泛应用于金属加工领域。

Description

一种超临界二氧化碳冷却系统

技术领域

本实用新型涉及金属加工领域，尤其是一种超临界二氧化碳冷却系统。

背景技术

随着现代先进制造技术的突飞猛进，各类新材料、新工艺应运而生，对机床切削速度，刀具寿命以及加工效率提出了更高的要求。清洁生产、绿色制造已成为发展先进制造技术的主题之一。采用低温冷却润滑切削技术，已被证实为解决高硬高强度材料强烈切削热冲击和振动以及塑性材料切削易产生加工毛刺等难加工特性有效方案。

目前常用的低温切削技术主要为：低温冷风(-30℃)冷却技术、液氮(-179℃)冷却技术、液态二氧化碳(-78.5℃)冷却技术等。其中液态二氧化碳冷却技术采用压力为5.0-6.5MPa的液态CO2经管路输送并在喷嘴前端释放，可在喷嘴处迅速膨胀吸热产生-78.5℃(理论值)低温，已经被成功应用于难加工材料切削冷却。为尽可能接近其理论低温值，需严格控制输送管路内部的液态CO2压降速率，并且需对输送管路进行有效保温，以避免液态CO2在管路内部因快速压降而结冰堵塞管路。由于液态CO2冷却技术上述缺点，目前该技术尚未实现大面积推广应用。针对上述问题，近年来采用超临界CO2流体进行冷却获得了关注。将低压的CO2气体通过增压系统增压至7.4MPA以上并将其升温至31.7℃以上，CO2即可处于超临界状态。将超临界状态的CO2喷射出去，由于超临界CO2流体的快速压降而瞬间吸热膨胀，从而使喷射区域达到瞬间低温(-78.5℃)的效果。

虽然超临界CO2已在制药工业、化学工程和半导体工业萃取、蚀刻和清洁过程中广泛应用，但将超临界CO2应用于加工冷却，实现加工过程的高效降温尚处于深入开发阶段。目前的超临界二氧化碳冷却技术未能确保管路中CO2始终处于超临界状态，容易导致管路堵塞等问题，不够可靠且智能化程度低。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种可靠和智能化程度高的超临界二氧化碳冷却系统。

本实用新型所采取的技术方案是：

一种超临界二氧化碳冷却系统，包括温度检测装置、压力检测装置、油位检测装置、控制器和动作执行结构，所述温度检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，所述压力检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，所述油位检测装置安装于油箱，所述温度检测装置的输出端、压力检测装置的输出端和油位检测装置的输出端均连接控制器的输入端，所述控制器的输出端连接动作执行结构的输入端。

进一步，所述动作执行结构包括第一继电器、第一加热器、第二继电器和第二加热器，所述第一加热器安装于第一气瓶，所述第二加热器安装于第二气瓶，所述第一继电器的输入端连接控制器的第一输出端，所述第一继电器的输出端连接第一加热器的输入端，所述第二继电器的输入端连接控制器的第二输出端，所述第二继电器的输出端连接第二加热器的输入端。

进一步，所述动作执行结构包括第三继电器、第一喷嘴电磁阀、第四继电器和第二喷嘴电磁阀，所述第三继电器的输入端连接控制器的第三输出端，所述第三继电器的输出端连接第一喷嘴电磁阀的输入端，所述第四继电器的输入端连接控制器的第四输出端，所述第四继电器的输出端连接第二喷嘴电磁阀的输入端。

进一步，所述动作执行结构包括第五继电器、油泵电磁阀和油泵，所述控制器的第五输出端依次通过第五继电器和油泵电磁阀进而与油泵的输入端连接。

进一步，所述动作执行结构包括第六继电器、增压电磁阀和增压泵，所述控制器的第六输出端依次通过第六继电器和增压电磁阀进而与增压泵的输入端连接。

进一步，所述动作执行结构包括报警器，所述报警器的输入端连接控制器的第七输出端。

进一步，所述动作执行结构包括触摸显示屏，所述触摸显示屏与控制器通讯连接。

进一步，还包括电源模块，所述电源模块的输出端连接控制器的输入端。

进一步，所述控制器采用可编程逻辑控制器。

本实用新型的有益效果是：包括温度检测装置、压力检测装置、油位检测装置、控制器和动作执行结构，通过控制器配合温度检测装置、压力检测装置和油位检测装置，使得系统管路二氧化碳符合超临界状态的温度和压力要求并能与油一起喷出，从而使系统管路中CO2始终处于超临界状态，避免了管路堵塞等现象的发生，更加可靠且智能化程度更高。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的超临界二氧化碳冷却系统的控制结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的超临界二氧化碳冷却系统的主要管路结构示意图；

图3为本实用新型控制器及外围电路的一种具体实现电路原理图；

图4为本实用新型触摸显示屏、压力检测装置及温度检测装置的一种具体实现电路原理图。

具体实施方式

参照图1，一种超临界二氧化碳冷却系统，包括：

温度检测装置，用于检测二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶的温度；

压力检测装置，用于检测二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶的压力；

油位检测装置，用于检测油箱内的油量；

控制器，用于根据温度检测装置检测的温度、压力检测装置检测的压力和油位检测装置检测的油量触发控制信号，所述控制信号包括增压控制信号、加热升温控制信号、出油控制信号和喷嘴打开控制信号；

动作执行结构，用于根据所述控制信号执行相应的动作，所述执行相应的动作包括增压、加热、出油和喷出二氧化碳气体；

所述温度检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，所述压力检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，所述油位检测装置安装于油箱；

所述温度检测装置的输出端、压力检测装置的输出端和油位检测装置的输出端均连接控制器的输入端，所述控制器的输出端连接动作执行结构的输入端。

具体地，超临界二氧化碳冷却系统的主要管路结构如图2所示，包括低温低压二氧化碳源、增压泵、第一气瓶、第二气瓶、第一喷嘴、第二喷嘴、油箱和油泵等。其中，低温低压二氧化碳源，用于提供低温低压二氧化碳，其可采用装有低温低压二氧化碳的瓶子来实现。增压泵，用于对低温低压二氧化碳进行增压，以满足超临界二氧化碳的压力要求。第一气瓶和第二气瓶，用于存储增压后的二氧化碳。第一气瓶和第二气瓶还可对增压后的二氧化碳进行加热升温，以满足超临界二氧化碳的温度要求。第一气瓶和第二气瓶这里采用了2个气瓶是为了增大容量。油箱，用于存储润滑油。油泵，用于将油箱内的油泵出，以提供金属加工所需的润滑油。第一喷嘴和第二喷嘴，用于将油以及超临界二氧化碳(位于第一气瓶和/或第二气瓶内的)一起喷出。第一喷嘴和第二喷嘴可以提供2个不同的喷出方向供用户选择。

为了使得第一喷嘴或第二喷嘴喷出的二氧化碳符合超临界二氧化碳的温度及压力要求，本实用新型增加了温度检测装置、压力检测装置和控制器。同时，本实用新型还增加了油位检测装置，以在泵油的过程中实时检测油箱内的油量。具体地，温度检测装置至少有3个，分别安装于增压泵的二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶；压力检测装置至少有3个，分别安装于增压泵的二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶。温度检测装置可采用铂电阻来实现，其与控制器的AD采样口连接。压力检测装置可采用现有的压力变送器来实现，其与控制器的AD采样口连接。油位检测装置可采用不锈钢浮球开关来实现，其与控制器的通用I/O口连接。控制器可采用现有的可编程逻辑控制器PLC、单片机、ARM处理器等来实现。

动作执行结构，包括增压泵、加热器、油泵和报警器等，其可与控制器的通用I/O口连接。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述动作执行结构包括第一继电器、第一加热器、第二继电器和第二加热器，所述第一加热器安装于第一气瓶，所述第二加热器安装于第二气瓶，所述第一继电器的输入端连接控制器的第一输出端，所述第一继电器的输出端连接第一加热器的输入端，所述第二继电器的输入端连接控制器的第二输出端，所述第二继电器的输出端连接第二加热器的输入端。

具体地，第一继电器和第二继电器，用于根据控制器的控制信号控制第一加热器和第二加热器是否进行加热，以使第一气瓶和第二气瓶内二氧化碳的温度符合超临界二氧化碳的温度要求。第一继电器和第二继电器均可采用现有的固态继电器来实现，其均可连接到控制器的通用I/O口或控制接口。第一加热器和第二加热器均可采用现有的加热片(如硅胶加热片等)来实现，其可通过热传导作用加热第一气瓶和第二气瓶内的二氧化碳。第一加热器和第二加热器可分别安装在第一气瓶和第二气瓶上。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述动作执行结构包括第三继电器、第一喷嘴电磁阀、第四继电器和第二喷嘴电磁阀，所述第三继电器的输入端连接控制器的第三输出端，所述第三继电器的输出端连接第一喷嘴电磁阀的输入端，所述第四继电器的输入端连接控制器的第四输出端，所述第四继电器的输出端连接第二喷嘴电磁阀的输入端。

具体地，第三继电器和第四继电器，用于根据控制器的控制信号控制第一喷嘴电磁阀和第二喷嘴电磁阀是否打开，进而控制二氧化碳和润滑油是否从第一喷嘴或第二喷嘴喷出。第三继电器和第四继电器均可采用现有的固态继电器来实现，其均可连接到控制器的通用I/O口或控制接口。第三喷嘴电磁阀和第四喷嘴电磁阀均可采用现有的电磁阀来实现，其可控制二氧化碳和润滑油是否从第一喷嘴或第二喷嘴喷出。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述动作执行结构包括第五继电器、油泵电磁阀和油泵，所述控制器的第五输出端依次通过第五继电器和油泵电磁阀进而与油泵的输入端连接。

具体地，第五继电器根据控制器的控制信号控制油泵电磁阀是否打开，进而控制油泵是否将油箱内的润滑油泵出。第五继电器可采用现有的固态继电器来实现，其可连接到控制器的通用I/O口或控制接口。油泵电磁阀可采用现有的常规电磁阀(如3口2位电磁阀)来实现，其可控制油泵是否将油箱内的润滑油泵出。油泵可采用现有的油泵来实现。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述动作执行结构包括第六继电器、增压电磁阀和增压泵，所述控制器的第六输出端依次通过第六继电器和增压电磁阀进而与增压泵的输入端连接。

具体地，第六继电器根据控制器的控制信号控制增压电磁阀是否打开，进而控制增压泵泵是否进行增压。第六继电器可采用现有的固态继电器来实现，其可连接到控制器的通用I/O口或控制接口。增压泵电磁阀可采用现有的常规电磁阀(如2口2位电磁阀)来实现，其可控制增压泵是否对低温低压二氧化碳进行增压。增压泵可采用现有的增压泵来实现。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述动作执行结构包括报警器，所述报警器的输入端连接控制器的第七输出端。

具体地，报警器，用于根据控制器的控制信号进行异常告警，例如当入口压力较低时或者当检测到油位过低时通过声音等方式进行报警提示。报警器可以采用蜂鸣器等来实现，其可连接到控制器的通用I/O口或控制接口。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述动作执行结构包括触摸显示屏，所述触摸显示屏与控制器通讯连接。

具体地，触摸显示屏，用于用户通过触摸输入所需的控制数据(如温度、压力)等，并根据控制器的控制信号显示用户输入的数据、报警信息、检测的压力、检测的温度等。触摸显示屏可采用现有的工业触摸屏等来实现，其通过485通讯接口与控制器连接。

进一步作为优选的实施方式，还包括电源模块，所述电源模块的输出端连接控制器的输入端。

具体地，电源模块用于为系统进行供电。电源模块可采用现有的开关电源等来实现，其输出端连接控制器的通用I/O口，以为其提供直流电源。

进一步作为优选的实施方式，所述控制器采用可编程逻辑控制器PLC。

图3和图4示出了本实用新型超临界二氧化碳冷却系统的一种具体实现电路原理图。图3和图4中，L为火线，N为零线，SA为电源总开关，QF0为断路器(起保护作用)，U1为采用PLC的控制器，U2为电源模块(用于将220V交流电源转换为24V电源)，控制端KA1和常开触点KA1-1构成第六继电器，VT4为增压电磁阀；控制端KA2和常开触点KA2-1构成用于控制CO2是否进入增压泵入口的继电器，VT1为CO2入口端电磁阀；控制端KA3和常开触点KA3-1构成第三继电器，VT2为第一喷嘴电磁阀；控制端KA4和常开触点KA4-1构成第四继电器，VT3为第二喷嘴电磁阀；控制端KA5和常开触点KA5-1构成第一继电器，HB1为带第一加热器的第一气瓶；控制端KA6和常开触点KA6-1构成第二继电器，HB2为带第二加热器的第二气瓶；控制端KA7和常开触点KA7-1构成用于控制是否切换到已准备好状态的继电器；控制端KA8和常开触点KA8-1构成第五继电器，VT5为喷油阀；SP为用作报警器的蜂鸣器；U3为触摸显示屏；AD1为U1中与压力检测装置的3个压力变送器(主要用于将0～20Mpa压力转化成压电信号)对应的压力检测AD输入模块(用于将压电信号转换为数字信号，供U1使用)；PT1、PT2和PT3分别为温度检测装置的3个铂电阻(用于将温度信号转换为电信号)，AD2为U1中与PT1、PT2和PT3对应的温度检测AD输入模块(用于将温度转换后的电信号转换为数字信号，供U1使用)。

本实用新型一种超临界二氧化碳冷却系统，将低温低压二氧化碳通过增压和升温等过程来满足超临界二氧化碳的压力和温度要求，然后将超临界二氧化碳和油泵泵出的润滑油一起从第一喷嘴或第二喷嘴喷出去，从而通过超临界二氧化碳实现金属加工的强效低温冷却的目的。为了使得系统管路的二氧化碳始终满足超临界二氧化碳的压力和温度要求，避免管路堵塞等现象的发生，本实用新型还增设了温度检测装置、压力检测装置和油位检测装置来实时检测管路内的温度、压力等。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：包括温度检测装置、压力检测装置、油位检测装置、控制器和动作执行结构，所述温度检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，所述压力检测装置分别安装于二氧化碳入口、第一气瓶和第二气瓶，所述油位检测装置安装于油箱，所述温度检测装置的输出端、压力检测装置的输出端和油位检测装置的输出端均连接控制器的输入端，所述控制器的输出端连接动作执行结构的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：所述动作执行结构包括第一继电器、第一加热器、第二继电器和第二加热器，所述第一加热器安装于第一气瓶，所述第二加热器安装于第二气瓶，所述第一继电器的输入端连接控制器的第一输出端，所述第一继电器的输出端连接第一加热器的输入端，所述第二继电器的输入端连接控制器的第二输出端，所述第二继电器的输出端连接第二加热器的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：所述动作执行结构包括第三继电器、第一喷嘴电磁阀、第四继电器和第二喷嘴电磁阀，所述第三继电器的输入端连接控制器的第三输出端，所述第三继电器的输出端连接第一喷嘴电磁阀的输入端，所述第四继电器的输入端连接控制器的第四输出端，所述第四继电器的输出端连接第二喷嘴电磁阀的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：所述动作执行结构包括第五继电器、油泵电磁阀和油泵，所述控制器的第五输出端依次通过第五继电器和油泵电磁阀进而与油泵的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：所述动作执行结构包括第六继电器、增压电磁阀和增压泵，所述控制器的第六输出端依次通过第六继电器和增压电磁阀进而与增压泵的输入端连接。

6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：所述动作执行结构包括报警器，所述报警器的输入端连接控制器的第七输出端。

7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：所述动作执行结构包括触摸显示屏，所述触摸显示屏与控制器通讯连接。

8.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块的输出端连接控制器的输入端。

9.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于：所述控制器采用可编程逻辑控制器。