CN212762470U - 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，包括超临界二氧化碳输出端、高压传输管、电磁阀、度传感器以及控制器，超临界二氧化碳输出端用以输出某一目标压力的超临界二氧化碳，超临界二氧化碳输出端与高压传输管相连通并向高压传输管输出超临界二氧化碳，电磁阀设于高压传输管上并保持闭合状态，使高压传输管内的超临界二氧化碳保持目标压力，温度传感器用以测量冷却区的实际温度，控制器与超临界二氧化碳输出端、高压传输管、电磁阀及温度传感器相连，控制器根据设定的目标温度和温度传感器测量的实际温度发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制电磁阀的开启时间和程度，从而控制超临界二氧化碳的输出量，超临界二氧化碳经电磁阀喷出至冷却区。

Description

超临界二氧化碳冷却系统

技术领域

本实用新型涉及冷却技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳冷却系统。

背景技术

二氧化碳冷却技术是基于液态二氧化碳或超临界二氧化碳经管路输送并在喷嘴前端释放，可在喷嘴处迅速气化吸热产生-78℃理论低温的特性而开发使用的，已被成功应用于航天航空难加工材料的加工切削冷却系统中。因为这技术应用时间不长，所以市面上的二氧化碳冷却系统都相当的不成熟，常见问题有：输出喷嘴容易堵住，且不可在加工过程中更换，更无法做到加工过程中对应大小不同的刀具连续自动调整温度。

一般的二氧化碳冷却系统都是以控制喷嘴大小和压力来控制终端输出流量从而达到调整冷却温度的，以超临界二氧化碳冷却系统为例，因为超临界二氧化碳的储存压力很高，在7.5mpa以上，就算是用极小针孔(

左右)来做喷嘴，二氧化碳的输出流量依然很大，喷孔过小又极易堵塞。因为送往切削区的二氧化碳流量越大，该区温度就越低，反之流量越小，温度越高，若喷嘴的喷孔直径固定，则流量主要受压力来控制。以调压技术来调温时，一般都是利用控制增压泵的增压上下限压力控制流量，问题同样突出，压力波动过大，这是增压泵的工作原理决定的，是根本无法改变的事实，有控制精度低，无法实时响应温度变化作出快速调整的缺点，最要麻烦的是0℃～-20℃(亚低温)所需的压力(流量很低)，这会导致传输管道内流体离开超临界转态进入气态，从而对外吸热，使二氧化碳源所含的杂质(比如混入微量润滑油用来提高加工效果)和水分等在传输管内结冰结块进而堵塞喷嘴、使系统完全失效，继而烧坏刀具及工件。所以二氧化碳传输最基本的要求也是液态，不应进入气态。而不进入气态传输则难以实现亚低温区的控温，问题相当矛盾。显然固定直径的喷孔难以兼顾0℃附近(亚低温)至-68℃附近(超低温区)温度的连续过渡控制，所以控制范围很窄，达不到大范围调整目的。

当然可以用换喷嘴的方式调整，即改变喷孔的直径，但配合参数过多，操作相当麻烦，且喷嘴不可在加工过程中更换，更无法做到加工过程中连续调整。

以上方法能想到的最好结果是合并，亚低温区用小喷嘴，低温区用中号喷嘴，超低温区用大号喷嘴，这样下来，管道内压力得以保持，管道内流体也就可以保持在液态和超临界状态之间作为压力可调区域，进而根据不同的温度应用区域选定同号喷嘴，再微调压力来调整流量进而控制温度，这已是以上结构的最好结果了。然而关键问题是以上两种方法合并后，依然也极大地受到环境温度影响，压力调整或更换喷嘴依然是人为调整，并不能给出目标后实现自动调整，所以两种方法合拼后仍不能根本解决温度调整随环境温度复杂易变的问题，今天调好合适的加工或测试温度明天气温改变了或上午调合适了下午室温变高了，结果都得重调，这样不稳定的系统实在是难以普及或正常使用的，如果是搞研究，这样得到的测试数据也是毫无参考价值的。

更有的是一般的冷却系统到喷嘴有一段长长的充满超临界二氧化碳的传输高压管，这段管在喷嘴端是开放的，所以就算冷却系统关掉了输出阀，输送管内原储存的高压二氧化碳，还会一直在喷嘴处喷出，直到管内压力消失，下降为大气压力才会停止喷射，这种是不必要的浪费，同时影响着系统时间响应性的好坏，因为管道内储存的超临界二氧化碳越多，这个过程持续时间就越长，实际使用中发现，最短都是分钟级以上的耗时。还有管道排空后，下次启动又会出现分钟级以上的长时间延时才能进入正常工作状态，使超临界二氧化碳排出管道内的空气，并重新充满管道。这一开一关两个时间加起来在实际加工应用中实在是慢得让人无法接受，这些都是现有的系统未能解决的问题，这样的结果已使普通二氧化碳冷却系统实用性严重下降，响应滞后，阻碍二氧化碳冷却系统的市场推广与普及。

因此，有必要提供一种新的超临界二氧化碳冷却系统以克服上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超临界二氧化碳冷却系统，温度调节范围可达0℃至-68℃，且连续可调，无开关机额外的二氧化碳浪费，也无管路延时效应的时间浪费。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种超临界二氧化碳冷却系统，所述超临界二氧化碳冷却系统包括一超临界二氧化碳输出端、一高压传输管、一电磁阀、一温度传感器以及一控制器，所述超临界二氧化碳输出端用以输出某一目标压力的超临界二氧化碳，所述超临界二氧化碳输出端与所述高压传输管相连通并向所述高压传输管输出所述超临界二氧化碳，所述电磁阀设于所述高压传输管上并保持闭合状态，使所述高压传输管内的所述超临界二氧化碳保持所述目标压力，所述温度传感器用以测量冷却区的实际温度，所述控制器与所述超临界二氧化碳输出端、所述高压传输管、所述电磁阀及所述温度传感器相连，所述控制器根据设定的目标温度和所述温度传感器测量的所述实际温度发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制所述电磁阀的开启时间和开启程度，从而控制所述超临界二氧化碳的输出量，所述超临界二氧化碳经所述电磁阀喷出至所述冷却区。

进一步地，所述超临界二氧化碳输出端包括液态二氧化碳源、储存缓冲罐以及第一增压泵，所述液态二氧化碳源用以存储并输出二氧化碳，所述储存缓冲罐与所述液态二氧化碳源连接，所述第一增压泵将液态二氧化碳源输出的二氧化碳进行增压并输送至所述储存缓冲罐以形成所述超临界二氧化碳，所述储存缓冲罐与所述高压传输管相连通并向所述高压传输管输出所述超临界二氧化碳。

进一步地，所述储存缓冲罐上设有压力传感器，所述压力传感器测量所述储存缓冲罐内所述超临界二氧化碳的实际压力，所述第一增压泵上设有控制其开启的气源阀，所述控制器与所述压力传感器及所述气源阀电连接，所述控制器根据所述目标压力及所述压力传感器测量的所述实际压力来控制所述气源阀的开启。

进一步地，所述储存缓冲罐上设有罐内温度传感器和恒温机构，所述罐内温度传感器测量所述储存缓冲罐内的温度，所述恒温机构可调节所述储存缓冲罐内的温度，所述控制器与所述罐内温度传感器和所述恒温机构相连，所述控制器根据所述罐内温度传感器测量的所述温度来控制所述恒温机构的调节。恒温机构的设置可纠正环境温度变化的影响，冷却区或加工切削区温度稳定。

进一步地，所述液态二氧化碳源与所述增压泵之间设有进气阀，所述高压传输管上设有出气阀及过滤器，所述过滤器设于所述出气阀与所述电磁阀之间的位置。

进一步地，所述电磁阀为发动机电喷油嘴。

进一步地，所述温度传感器安装于所述电磁阀上。

进一步地，所述超临界二氧化碳冷却系统还包括微量润滑系统，所述微量润滑系统包括油箱、油输送管、第二增压泵以及油电磁阀，所述油箱用于储存及提供微量润滑油，所述油输送管一端与所述油箱相连，另一端与所述高压传输管相连，所述第二增压泵将所述油箱的微量润滑油进行增压并输入所述油输送管，所述油电磁阀设于所述油输送管与所述高压传输管相接的位置，所述控制器与所述油电磁阀相连并发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制所述油电磁阀的开启时间和开启程度，从而控制所述微量润滑油的输出量，所述微量润滑油经所述油电磁阀喷出至所述高压传输管内。

与现有技术相比，本实用新型提供了一种超临界二氧化碳冷却系统，所述超临界二氧化碳冷却系统包括一超临界二氧化碳输出端、一高压传输管、一电磁阀、一温度传感器以及一控制器，所述超临界二氧化碳输出端用以输出某一目标压力的超临界二氧化碳，所述超临界二氧化碳输出端与所述高压传输管相连通并向所述高压传输管输出所述超临界二氧化碳，所述电磁阀设于所述高压传输管上并保持闭合状态，使所述高压传输管内的所述超临界二氧化碳保持所述目标压力，所述温度传感器用以测量冷却区的实际温度，所述控制器与所述超临界二氧化碳输出端、所述高压传输管、所述电磁阀及所述温度传感器相连，所述控制器根据设定的目标温度和所述温度传感器测量的所述实际温度发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制所述电磁阀的开启时间和开启程度，从而控制所述超临界二氧化碳的输出量，所述超临界二氧化碳经所述电磁阀喷出至所述冷却区。超临界二氧化碳冷却系统的温度调节范围可达0℃至-68℃，且连续可调，无开关机额外的二氧化碳浪费，也无管路延时效应的时间浪费。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的超临界二氧化碳冷却系统的示意图。

图2为本实用新型第二实施例的超临界二氧化碳冷却系统的示意图。

具体实施方式

本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含和可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本实用新型中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。

在本实用新型中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。在本实用新型中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，但是优选是顺序进行的。

第一实施例

如图1所示，超临界二氧化碳冷却系统包括一超临界二氧化碳输出端、一高压传输管11、一电磁阀12、一温度传感器15以及一控制器16，超临界二氧化碳输出端用以输出某一目标压力的超临界二氧化碳，超临界二氧化碳输出端与高压传输管11相连通并向高压传输管11输出超临界二氧化碳，电磁阀12设于高压传输管11上并保持闭合状态，使高压传输管11内的超临界二氧化碳保持目标压力，温度传感器15用以测量冷却区的实际温度，控制器16与超临界二氧化碳输出端、高压传输管11、电磁阀12及温度传感器15相连，控制器16根据设定的目标温度和温度传感器15测量的实际温度发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制电磁阀12的开启时间和开启程度，从而控制超临界二氧化碳的输出量，超临界二氧化碳经电磁阀12喷出至冷却区。

超临界二氧化碳输出端包括液态二氧化碳源17、储存缓冲罐18以及第一增压泵19，液态二氧化碳源17用以存储并输出二氧化碳，储存缓冲罐18与液态二氧化碳源17连接，第一增压泵19将液态二氧化碳源17输出的二氧化碳进行增压并输送至储存缓冲罐18以形成超临界二氧化碳，储存缓冲罐18与高压传输管11相连通并向高压传输管11输出超临界二氧化碳。

储存缓冲罐18上设有压力传感器20，压力传感器20测量储存缓冲罐18内超临界二氧化碳的实际压力，第一增压泵19上设有控制其开启的气源阀21，控制器16与压力传感器20及气源阀21电连接，控制器16根据目标压力及压力传感器20测量的实际压力来控制气源阀21的开启。本系统为恒压调量法，控制器16根据根据目标压力及压力传感器20测量的实际压力来控制气源阀21的开启来形成自动稳压处理，使二氧化碳压力到达目标压力，如7.5Mpa以上，目标压力可根据实际工作要求设定。

储存缓冲罐18上设有罐内温度传感器15和恒温机构22，罐内温度传感器15测量储存缓冲罐18内的温度，恒温机构22可调节储存缓冲罐18内的温度，控制器16与罐内温度传感器15和恒温机构22相连，控制器16根据罐内温度传感器15测量的温度来控制恒温机构22的调节。恒温机构22的设置可纠正环境温度变化的影响，冷却区或加工切削区温度稳定，使储存缓冲罐18内的温度保持在某一温度附近，如40度，如室温过低,传输温度耗散过大，可适当往上调整用作补偿。可理解的，恒温机构22有加热、保温和冷却的功能，现有技术中适用的保温机构22均可适用本实用新型。温度和压力两条件结合，确保存于储存缓冲罐18内的二氧化碳进入超临界状态，因为进入超临界二氧化碳可以在常温中通过管路传输而无需做过多的保温措施，方便管路铺设，减小占用空间和成本。至此，以上为超临界二氧化碳生产的基本过程，压力和温度都由控制器16负责处理，控制器16具有一输入器(图未示)，如触控屏，由触控屏根据环境变量输入各目标值。于本实施例中，控制器16为PLC。

液态二氧化碳源17与第一增压泵19之间设有进气阀23，高压传输管11上设有出气阀24及过滤器25，过滤器25设于出气阀与电磁阀12之间的位置。温度传感器15安装于电磁阀12上，电磁阀12设于高压传输管11的末端，温度传感器15捆绑式安装于电磁阀12的外壳上，温度传感器15的探测角度可调整。

本流量控制系统整体解决方案是：加压到≥7.5mpa的二氧化碳进入储存缓冲罐18，储存缓冲罐18缓冲压力波动，同时保证罐内温度恒定使其内部二氧化碳可靠进入超临界状态，再经过滤器25过滤后，由高压传输管11输送到电磁阀12的输入端。经电磁阀12调整输出量后喷出到刀具加工区为工件和刀具冷却，此电磁阀12为系统核心调节部件，同时也是延申到外部的喷头，作为喷嘴使用。

本实施例中电磁阀12为发动机电喷油嘴，当然，于其他实施例中，其他起到同样作用的电磁阀12同样适用于本实施例，视为本专利保护范畴。电磁阀12用于调整超临界二氧化碳的输出流量，具体地，控制器16根据设定的目标温度和温度传感器15测量的实际温度结合计算，然后发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制电磁阀12的开启时间和开启程度，电脉冲的脉宽决定每次喷射时间长短，电脉冲的周期决定每秒喷射的次数。更具体地，电磁阀12为电控常闭阀开合受控于电脉冲供电时间的长短，由控制器16发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制电磁阀12的开启时间和开启程度，从而得到不同的送出量来实现流量调节，继而实现刀具冷却区温度的调整。因为发动机电喷油嘴的响应时间可达0.1毫秒，所以每一秒内的液体送出量实际可以分解为每份为每秒万分之一的加减量来控制，极大的提高了送出量的流量控制精度，从而形成控制精度极高的调温系统。因为电磁阀12之后就没有管路了，超临界二氧化碳是直接射向冷却区，如刀具，停机时电磁阀12断电关闭的管道内压力得以保留，不会形成停机后仍有多余超临界二氧化碳经喷头排放的浪费和耗时。因为管道内任何时刻都是充满超临界二氧化碳的，所以同样也不会出现开机滞后的问题。真正做到了，即开即喷，即关即停，零浪费零延时，不仅不用换输出喷头来实现全程大范围调温，而且还把传统的喷嘴都去掉，一种喷孔足以兼顾两端，不再需要针孔喷嘴了，原喷嘴堵塞是因为原来为了小流量和亚低温区的温度范围使用时，用了极细孔径喷嘴0.1mm以下，因为现实的理想状态是不存在的，管路内总会有或多或少的游离杂质，所以经常出现堵塞。这个由过滤器25配合发动机电喷油嘴的喷孔来解决，发动机电喷油嘴喷孔一般孔径大小都在0.5mm附近，选0.05mm以下网孔级别的过滤器25足以保证安全不堵塞。储存缓冲罐18内压也是相对稳定的，不用跟随环境温度变化调整，控制器16的软件控制方面反而变得更为简单。

第二实施例

为了解决只有刀具冷却功能却无润滑效果的问题，进一步加强超临界二氧化碳系统的性能来提高加工效果，本系统将微量润滑系统和超临界二氧化碳冷却系统两者合并。微量润滑可以提升刀具寿命，超临界二氧化碳冷却也能提高刀具寿命，且都可提升加工性能，只是原理不同，如果两者合二为一在同一个喷嘴喷出到加工区，这不仅可以减小两套独立系统的空间占用比，减少采购成本，而且操作方便，控制集中，关键是提升刀具寿命效果更加好。然而，超临界二氧化碳系统与微量润滑系统是两个独立的系统，各有各的优点与缺点，如何合拼两者的优点于一身呢，在可以得到超临界二氧化碳的低温冷却的同时又有微量润滑的刀具润滑的优点。本实施例中，加工中心刀具使用的超临界二氧化碳系统会工作在小流量而高压力(≥7.5Mpa)的条件下，微量润滑系统一般用工业0.6mpa气源做载体输送微量润滑油到加工刀刃，要合并这两个系统，首先要让管道内的超临界二氧化碳成为微量润滑油的载体，超临界二氧化碳是

≥7.5MPA的内压情况下传输的，要想混入其他液体，则需要一种特殊的高压微量泵并集成油量调节机构才能做得到。即需要同时满足以下几点要求：1)要求输出液态压力高于7.5MPA，2)要求输出流量精密连续可调，3)输出量范围要合适实际适用要求，在10ML/H～1000ML/H范围内可调比较合适，这是微量计量泵的范畴，而一般的高压微量泵是无法给出这么高的压力的。由于要求特殊，纵观市场并无合适的成熟产品可以使用。因此必需全新开发一种新型的高压微量泵来适应其特殊要求。有了这个高压微量泵，这两套套系统才有可能合拼到一起，因此开发一套合适的高压微量泵就成了重点。本实施例的电磁阀12，如发动机电喷油嘴在20MPA压力以内可长时间可靠运行，精确可控，完全满足上述要求。合并了微量润滑系统和超临界二氧化碳冷却系统的整体图如图2所示，这里仅介绍与实施例1不同的微量润滑系统，微量润滑系统包括油箱26、油输送管27、第二增压泵28以及油电磁阀13，油箱26用于储存及提供微量润滑油，油输送管27一端与油箱26相连，另一端与高压传输管11相连，第二增压泵28将油箱26的微量润滑油进行增压并输入油输送管27，油电磁阀13设于油输送管27与高压传输管11相接的位置，控制器16与油电磁阀13相连并发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制油电磁阀13的开启时间和开启程度，从而控制微量润滑油的输出量，微量润滑油经油电磁阀13喷出至高压传输管11内，与其内的超临界二氧化碳混合，再输送到外延的电磁阀12总成做总体流量调整后喷向刀具加工区。为刀具冷却和润滑。以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳冷却系统包括：

一超临界二氧化碳输出端，所述超临界二氧化碳输出端用以输出某一目标压力的超临界二氧化碳；

一高压传输管，所述超临界二氧化碳输出端与所述高压传输管相连通并向所述高压传输管输出所述超临界二氧化碳；

一电磁阀，所述电磁阀设于所述高压传输管上并保持闭合状态，使所述高压传输管内的所述超临界二氧化碳保持所述目标压力；

一温度传感器，所述温度传感器用以测量冷却区的实际温度；以及

一控制器，所述控制器与所述超临界二氧化碳输出端、所述高压传输管、所述电磁阀及所述温度传感器相连，所述控制器根据设定的目标温度和所述温度传感器测量的所述实际温度发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制所述电磁阀的开启时间和开启程度，从而控制所述超临界二氧化碳的输出量，所述超临界二氧化碳经所述电磁阀喷出至所述冷却区。

2.如权利要求1所述的超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳输出端包括：

液态二氧化碳源，所述液态二氧化碳源用以存储并输出二氧化碳；

储存缓冲罐，所述储存缓冲罐与所述液态二氧化碳源连接；以及

第一增压泵，所述第一增压泵将液态二氧化碳源输出的二氧化碳进行增压并输送至所述储存缓冲罐以形成所述超临界二氧化碳，所述储存缓冲罐与所述高压传输管相连通并向所述高压传输管输出所述超临界二氧化碳。

3.如权利要求2所述的超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述储存缓冲罐上设有压力传感器，所述压力传感器测量所述储存缓冲罐内所述超临界二氧化碳的实际压力，所述第一增压泵上设有控制其开启的气源阀，所述控制器与所述压力传感器及所述气源阀电连接，所述控制器根据所述目标压力及所述压力传感器测量的所述实际压力来控制所述气源阀的开启。

4.如权利要求2所述的超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述储存缓冲罐上设有罐内温度传感器和恒温机构，所述罐内温度传感器测量所述储存缓冲罐内的温度，所述恒温机构可调节所述储存缓冲罐内的温度，所述控制器与所述罐内温度传感器和所述恒温机构相连，所述控制器根据所述罐内温度传感器测量的所述温度来控制所述恒温机构的调节。

5.如权利要求2所述的超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述液态二氧化碳源与所述增压泵之间设有进气阀，所述高压传输管上设有出气阀及过滤器，所述过滤器设于所述出气阀与所述电磁阀之间的位置。

6.如权利要求1所述的超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述电磁阀为发动机电喷油嘴。

7.如权利要求1所述的超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述温度传感器安装于所述电磁阀上。

8.如权利要求1所述的超临界二氧化碳冷却系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳冷却系统还包括微量润滑系统，所述微量润滑系统包括：

油箱，所述油箱用于储存及提供微量润滑油；

油输送管，所述油输送管一端与所述油箱相连，另一端与所述高压传输管相连；

第二增压泵，所述第二增压泵将所述油箱的微量润滑油进行增压并输入所述油输送管；以及

油电磁阀，所述油电磁阀设于所述油输送管与所述高压传输管相接的位置，所述控制器与所述油电磁阀相连并发出不同周期和脉宽的电脉冲来控制所述油电磁阀的开启时间和开启程度，从而控制所述微量润滑油的输出量，所述微量润滑油经所述油电磁阀喷出至所述高压传输管内。

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