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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen mittels adiabatischer
Entspannung eines Gases oder Gasgemisches, insbesondere eine Vorrichtung
zum Kühlen
mittels adiabatischer Entspannung von Kohlendioxid, bei der ein
Druckbehälter über eine
Zuführleitung
mit einer Entspannungsdüse
strömungsverbunden
ist, welcher Zuführleitung
eine Absperreinrichtung zum Herstellen oder Unterbrechen des Durchflusses
durch die Zuführleitung
zugeordnet ist.
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Unter
adiabatischer Entspannung (Joule-Thomson-Effekt) wird hier die Entspannung eines
Mediums von einem höheren
auf einen niedrigeren Druck verstanden, die zu eine Abkühlung des Mediums
führt.
Dabei tritt kein oder nur ein geringfügiger Wärmeaustausch mit der Umgebung
auf, d.h. die Zustandsänderung
verläuft
im wesentlichen adiabatisch. Das auf diese Weise abgekühlte Medium kann
zu Kühlzwecken
eingesetzt werden. In der Praxis kommen als Medium in der Regel
Gase zum Einsatz, beispielsweise Kohlendioxid, das bei einer Temperatur
von unter 304,15 K beim Entspannen von einem Druckwert oberhalb
5,18 bar zugleich einen Phasenübergang
vom flüssigen
in den gasförmigen bzw.
festen Zustand durchläuft.
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Kühlvorrichtungen,
bei denen der Joule-Thomson-Effekt ausgenutzt wird, kommen beispielsweise
bei der mechanischen Bearbeitung von hitzeempfindlichen Oberflächen zum
Einsatz, beispielsweise bei der Nachbehandlung von lackierten Oberflächen.
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Aus
der
DE 19704 860 C1 ist
eine Maschine zum Polieren und/oder Schleifen bekannt, die zur Kühlung einer
zu bearbeitenden Oberfläche
eine Zufuhrleitung für
flüssiges
Kohlendioxid aufweist. Die Zuführleitung
ist durch die Poliermaschine hindurchgeführt und mündet unmittelbar oberhalb der
Schleif- bzw. Polierscheibe
aus. Im Bereich dieser Ausmündung
ist ein Ventil zur Regulierung der Durchflussmenge angeordnet, das
zugleich eine Entspannungsdüse
umfasst. Beim Betrieb der Maschine wird das Ventil geöffnet und
das flüssige
Kohlendioxid an der Entspannungsdüse entspannt, wobei es sich
aufgrund des Joule-Thomson-Effektes stark abkühlt. Die zu bearbeitende Oberfläche wird
dadurch wirkungsvoll gekühlt.
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Nachteilig
bei dem bekannten System ist; dass das Ventil zur Regulierung des
Kohlendioxiddurchflusses stets in unmittelbarer Nähe zum Entspannungsventil
angeordnet sein muss. Andernfalls führt der etwa bei einer Unterbrechung
des Bearbeitungsvorgangs entstehende Druckabfall in der Kohlendioxidleitung
zu deren Abkühlung
und damit zu einem Eintrag von Feuchtigkeit, der mit der Gefahr
einer nachfolgenden Vereisung der Kohlendioxidleitung verbunden
ist. Zugleich führt
ein Druckabfall auf Werte unter 5,18 bar zur Entstehung von Kohlendioxidschnee
im Innern der Kohlendioxidleitung, wodurch ebenfalls die Funktionsfähigkeit
der Maschine beeinträchtigt
werden kann. Die Forderung, Entspannungsdüse und Ventil zur Regulierung
des Durchflusses unmittelbar benachbart zueinander anzuordnen, führt jedoch
in vielen Fällen
zu einem hohen apparativem Aufwand.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, eine mittels adiabatischer
Entspannung arbeitende Kühlvorrichtung
zu schaffen, die einfach im Aufbau und in der Handhabung ist.
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Gelöst ist diese
Aufgabe durch eine Kühlvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß besteht
also bei einer Kühlvorrichtung
der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung zwischen der Absperreinrichtung und
der Entspannungsdüse
ein Leitungsabschnitt, der mit einer Zuführung für ein Inertgas in Strömungsverbindung
steht.
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Durch
die Inertgaszuführung
wird der Leitungsabschnitt zwischen der Absperreinrichtung und der
Entspannungsdüse
bei einer Unterbrechung des Kühlvorgangs
mit einem Inertgas geflutet. Auf diese Weise wird ein Eindringen
von Feuchtigkeit und damit ein Vereisen dieses Leitungsabschnitts
wirksam vermieden. Die Absperreinrichtung und die Entspannungsdüse können so räumlich um
mehrere Meter voneinander getrennt werden, ohne dass eine Beeinträchtigung
der Kühlleistung
befürchtet
werden muss. Der aufwendige Aufbau einer mit einer integrierten
Entspannungsdüse
versehenen Absperreinrichtung ist somit entbehrlich. Als Inertgas
können prinzipiell
alle trockenen Gase eingesetzt werden. Insbesondere empfiehlt sich
beim Einsatz von Kohlendioxid als Kühlmittel auch der Einsatz von
Kohleindioxid als Inertgas.
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Um
eine aufwendige Doppelversorgung zu vermeiden, wird das Inertgas
zweckmäßigerweise dem
gleichen Druckbehälter
entnommen wie das Kühlmittel.
Dazu besteht an der Zuführleitung
im Bereich der Absperreinrichtung eine diese umgehende Bypassleitung,
die mit der Inertgaszuführung
strömungsverbunden
ist.
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Um
den Zustrom des Inertgases an die jeweiligen Erfordernisse anpassen
zu können,
ist in einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung in der Bypassleitung eine Einrichtung zur regelbaren Begrenzung
des Massendurchflusses angeordnet, beispielsweise ein verstellbares
Druckreduzierventil.
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In
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung ist der zwischen der Absperreinrichtung und der Entspannungsdüse vorliegende
Leitungsabschnitt als Kapillare ausgebildet. Da das Kühlmittel bei
hohem Druck vorliegt, beispielsweise zwischen 20 und 70 bar, genügt ein Leitungsquerschnitt
von wenigen Millimetern Durchmesser, um einen für eine hinreichende Kühlung erforderlichen
Massendurchfluss zu gewährleisten.
Im Innern der Kapillare sich bildender Kohlendioxidschnee wird aufgrund
der thermischen Kapazität
der Leitungswände
rasch sublimiert. Zudem wird durch den verringerten Volumenstrom
durch die Kapillare ein abrupter, mit einer knallartigen Geräuschentwicklung
verbundener Druckaufbau beim Öffnen
der Absperreinrichtung an der Entspannungsdüse vermieden.
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Vorteilhafterweise
ist der als Kapillare ausgebildete Leitungsabschnitt aus einem flexiblen
Material, beispielsweise Kunststoff gefertigt.
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Die
Absperreinrichtung und/oder die Einrichtung zur Begrenzung des Massendurchflusses
in der Bypassleitung ist/sind bevorzugt mit einer elektronischen
Steuereinheit datenverbunden. Auf diese Weise kann der Mengendurchfluss
an Kühlmittel
durch die Zuführleitung
und/oder die Inertgaszufuhr automatisch reguliert und so die Gefahr
von Bedienfehlern minimiert werden.
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Um
die Sicherheit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
zu erhöhen,
ist in der Zuführleitung ein
Druckwächter
integriert, der mit der elektronischen Steuereinheit in Datenverbindung
steht. Bei einem bestimmten Wert des Drucks oder einer Druckänderung
in der Zuführleitung,
beispielsweise bei einem starken Druckabfall, der etwa bei einem Leitungsbruch
auftritt, wird ein Signal an die elektronische Steuereinheit abgesendet,
die daraufhin die Absperreinrichtung automatisch in Schließstellung bringt.
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Bei
längeren
Unterbrechungen stellt ein unkontrollierter Zustrom von Kohlendioxid
für das
Bedienpersonal insbesondere beim Arbeiten in geschlossenen Räumen ein
erhebliches Gefährdungspotenzial
dar. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, dass die elektronische
Steuereinheit mit einem Zeitrelais in Datenverbindung steht, mittels
der nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer wird die Absperreinrichtung automatisch
geschlossen wird.
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Zweckmäßigerweise
steht die Absperreinrichtung mit einem Fernschalter in Datenverbindung, mittels
dessen die Absperreinrichtung manuell betätigt werden kann. Der Fernschalter
befindet sich dabei bevorzugt in der Nähe des Arbeitsbereiches, wo er
bequem vom Bedienpersonal erreicht werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Entspannungsdüse in einem
längs wenigstens
einer kartesischen Koordinatenachse maschinell bewegbaren Strahlgerät angeordnet.
Hierdurch wird insbesondere eine Automatisierung von Arbeitsprozessen
erreicht.
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Alternativ
zur maschinellen Führung
des Strahlgeräts
ist/sind die Entspannungsdüse
und/oder der Fernschalter in einem Handgerät angeordnet, wodurch eine
für das
Bedienpersonal besonders vorteilhafte Handhabung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
ermöglicht
wird.
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Besonders
empfehlenswert ist der Einbau der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in Werkzeuge
zur Oberflächenbearbeitung.
Die räumliche
Trennung von Absperreinrichtung und Entspannungsdüse erleichtert
den Einbau der Kühlvorrichtung
ebenso wie die Handhabung des Werkzeugs.
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Anhand
der Zeichnungen soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert werden.
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In
schematischen Ansichten zeigen:
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1:
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
und
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2:
das Diagramm eines zeitlichen Druckverlaufes in der Kohlendioxid-Zuströmleitung einer
erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
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Bei
der in 1 gezeigten Kühlvorrichtung 1 wird
die Kühlwirkung
aufgrund der adiabatischen Entspannung eines Gases, im Beispiel
aufgrund der adiabatischen Entspannung von flüssigem Kohlendioxid bewirkt. Über eine
Zuführleitung 2 wird
dazu flüssiges
Kohlendioxid (CO2 fl)
aus einem hier nicht gezeigten Druckbehälter mit einem Druck von beispielsweise
20 bis 80 bar herangeführt
und an einer Entspannungsdüse 3 auf
Umgebungsdruck (1 bar) entspannt, wobei es sich auf einen Temperaturwert von
bis zu ca. 193 K abkühlt.
Beim Entspannungsvorgang findet ein Phasenübergang statt, bei dem das flüssige Kohlendioxid
teilweise in Gasform (CO2 g), teilweise
in Kohlendioxidschnee (CO2 s) übergeht.
Der der Entspannungsdüse 3 entströmende kalte
Kohlendioxid-Gasstrom kann beispielsweise in hier jedoch nicht gezeigter
Weise zur Kühlung
eines Werkstückes
oder einer zu bearbeitenden Oberfläche eingesetzt werden.
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In
die Zuführleitung 2 ist,
beabstandet von der Entspannungsdüse 3, eine Absperreinrichtung 4, beispielsweise
ein elektrisch oder pneumatisch betriebenes Ventil, integriert.
Die Länge
des zwischen der Entspannungsdüse 3 und
der Absperreinrichtung 4 vorliegenden Leitungsabschnitts 5 ist
frei wählbar, sollte
jedoch, um die volle Funktionsfähigkeit
der Kühlvorrichtung 1 nicht
zu beeinträchtigen,
eine Länge
von 2–5
Metern nicht überschreiten.
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Der
Leitungsabschnitt zwischen Absperreinrichtung 4 und Entspannungsdüse 3 ist
als Kapillarschlauch 5 ausgebildet, dessen Innendurchmesser nur
wenige Millimeter beträgt,
jedoch noch deutlich größer als
die Düsenöffnung der
Entspannungsdüse 3 ist.
Beispielsweise beträgt
der Innendurchmesser des Kapillarschlauchs 5 etwa 1 bis
2 mm, während die
Düsenöffnung der
Entspannungsdüse 3 einen Durchmesser
von 0,5 bis 0,8 mm aufweist. Der Kapillar-Schlauch 5 ist
dabei beispielsweise aus Kunststoff gefertigt und für hohe Innendrücke geeignet.
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Vom
Kapillarschlauch 5 zweigt eine Bypassleitung 7 ab,
die in die Zuführleitung
2 im Abschnitt 6 zwischen dem Druckbehälter und der Absperreinrichtung 4 einmündet. Die
Bypassleitung 7 umgeht somit die Absperreinrichtung 4.
Die Bypassleitung 7 ist mit einem einstellbaren Druckreduzierventil 8 versehen, mittels
dessen der Druck auf der dem Kapillarschlauch 5 zugewandten
Abschnitt 9 der Bypassleitung 7 auf einen Wert
reduzierbar ist, der gering gegenüber dem Druck im druckbehälterseitigen
Abschnitt 6 der Zuleitung 2 (20 bis 80 bar), jedoch
größer als
der Umgebungsdruck (1 bar) ist. Bei Bedarf kann in die Bypassleitung 7 zudem
ein Wärmetauscher 10 integriert
sein, der das aus der Bypassleitung 7 in den Kapillarschlauch 5 einströmende Gas erwärmt.
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Die
Kühlvorrichtung 2 ist
mit einer elektronischen Steuereinheit 11 versehen, die
mit der Absperreinrichtung 4 sowie mit dem Druckreduzierventil 8 in Datenverbindung
steht. Gleichfalls mit der elektronischen Steuereinheit 11 datenverbunden
ist ein – im Beispiel
manuell zu bedienender – Fernschalter 12. Der
Fernschalter 12 ist in ein Handgerät 14 eingebaut, in
dem auch die Entspannungsdüse 3 angeordnet
ist. Hierdurch wird ermöglicht,
dass die Absperreinrichtung 4 manuell durch eine das Handgerät 14 bedienende
Person betätigt
werden kann.
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Bei
dem Handgerät 14 kann
es sich um eine Strahlpistole oder um ein Arbeitsgerät handeln,
beispielsweise um ein Oberflächenbearbeitungsgerät, wie etwa
eine Schleif- oder Poliermaschine, in das die Entspannungsdüse 3 integriert
ist. Anstelle eines Handgeräts 14 kann
jedoch auch eine die Entspannungsdüse 3 aufweisende,
maschinengeführte Strahlapparatur
vorgesehen sein, die etwa mittels eines Industrieroboters längs einer
oder mehrerer Koordinaten automatisch bewegt wird und mit der die Bestrahlung
eines Werkstücks
oder einer Oberfläche mit
Kaltgas nach einem vorgegebenen Programm durchgeführt werden
kann. In diesem Falle ist zweckmäßigerweise
auch der Fernschalter 12 programmgesteuert.
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Zur
Erhöhung
der Betriebssicherheit der Kühlvorrichtung 1 ist
die elektronische Steuereinheit 12 mit einem Zeitrelais 15 elektronisch
verbunden. In Zusammenwirken mit dem Zeitrelais 15 sorgt
die elektronische Steuereinheit 12 dafür, dass die Absperreinrichtung 4 nach
einer vorgegebenen Zeitdauer automatisch geschlossen wird. Dies
ist insbesondere beim Arbeiten in geschlossenen Räumen empfehlenswert,
da ein unkontrolliertes Ausströmen
von Kohlendioxid, etwa während
längerer
Unterbrechungen des Bearbeitungsvorgangs, aufgrund der toxischen
Wirkung des Kohlendioxid mit einer erheblichen Gefährdung des
Bedienpersonals verbunden wäre.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Betriebssicherheit ist die elektronische Steuereinheit 12 mit
einem Druckwächter 17 datenverbunden,
der über
einen Drucksensor 18 den Druck im Kapillarschlauch 5 erfasst
und bei plötzlichem
Druckabfall, wie er beispielsweise im Falle eines Leitungsbruchs
auftritt, ein entsprechendes Signal an die elektronische Steuereinheit 11 absendet,
woraufhin diese die Absperreinrichtung 4 unverzüglich schließt.
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Zur
Inbetriebnahme der Kühlvorrichtung 1 wird
der Fernschalter 12 betätigt.
Hierdurch wird an die elektronische Steuereinheit 11 ein
Signal zum Öffnen
der Absperreinrichtung 4 abgegeben. Nach Öffnen der
Absperreinrichtung 4 strömt Kohlendioxid aus dem Abschnitt 6 der
Zuführleitung 2 in
den Kapillarschlauch 5 und weiter zur Entspannungsdüse 3. Wegen
des dünnen
Leitungsquerschnitts des Kapillarschlauchs 5 erfolgt dort
der Druckaufbau nicht schlagartig, sondern über einen gewissen Zeitraum hinweg,
der etwa einige Zehntelsekunden beträgt. Dadurch wird eine starke
Geräuschentwicklung
vermieden, die ansonsten bei einem abrupten Druckaufbau stattfinden
würde.
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Der
Druckverlauf im Kapillarschlauch 5 im Bereich der Entspannungsdüse 3 ist
in 2 schematisch wiedergegeben. Bis zum Erreichen
des Betriebsdrucks pb zum Zeitpunkt t1 steigt der Druck im Innern des Kapillarschlauchs 5 an.
Während
dieser Zeit ist der Druckwächter 17 inaktiv
geschaltet, um eine fehlerhafte Schließung der Absperreinrichtung 4 zu
vermeiden. Der Druckwächter 17 wird
erst bei Erreichen des Betriebsdrucks pb aktiviert.
Der Betriebsdruck pb, der zumindest annähernd dem
am Abschnitt 6 der Zuführleitung 2 vorliegenden
Druck entspricht, ist so gewählt,
dass das Kohlendioxid im Bereich des Kapillarschlauchs 5 im
flüssigen
Zustand vorliegt. Das Kohlendioxid strömt zur Entspannungsdüse 3,
wo es unter starker Abkühlung
entspannt wird und in Gasform sowie in Form von Kohlendioxidschnee übergeht.
Der Gasstrom wird zur Kühlung des
Werkstücks
bzw. der Oberfläche
eingesetzt; der Kohlendioxidschnee sublimiert rasch und wird vom übrigen Gasstrom
mitgerissen. Bei einem Druck von 20 bis 80 bar genügt der geringe
Leitungsquerschnitt des Kapillarschlauchs 5, um ein Werkstück oder
eine Oberfläche
in einer für
viele Anwendungen hinreichenden Weise zu kühlen.
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Zum
Zeitpunkt t2 wird der Arbeitsvorgang unterbrochen
und die Absperreinrichtung 4 mittels Betätigung des
Fernschalters 12 durch ein entsprechendes Steuersignal
der elektronischen Steuereinheit 11 in Schließstellung
gebracht. Gleichzeitig wird der Druckwächter 17 inaktiv geschaltet.
Der Druck im Kapillarschlauch 5 sinkt bis zu einem Minimaldruck
p0 ab. Der bei einem Druckabfall auf einen
Wert unterhalb von 5,18 bar notwendigerweise auch im Innern des
Kapillarschlauchs 5 entstehende Kohlendioxidschnee sublimiert
in kürzester
Zeit infolge des thermischen Kontakts mit dem Material des Kapillarschlauchs
und behindert daher einen späteren
Weiterbetrieb der Kühlvorrichtung 1 nicht.
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Der
Minimaldruck p0, der größer als der Umgebungsdrucks
von ca. 1 bar gewählt
ist und beispielsweise 1,5–3
bar beträgt,
wird durch einen Gasstrom aufrechterhalten, der über die Bypassleitung 7 herangeführt und
durch das Druckreduzierventil 8 auf den genannten Druckwert
reduziert wird. Das Druckreduzierventil 8 wird dabei zuvor
entweder manuell oder über
die elektronische Steuereinheit entsprechend eingestellt. Das Volumen
des aus der Bypassleitung 7 in den Kapillarschlauch 5 einströmenden Gasstroms
ist äußerst gering
und kann daher nicht zu einer Gefährdung des Bedienpersonals
führen.
Er genügt
jedoch, um im Innern des Kapillarschlauchs 5 eine inerte
Kohlendioxidatmosphäre
herzustellen, die das Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebung
unterbindet. Der Kapillarschlauch 5 ist also frei von Wassereis
oder Kohlendioxidschnee, wenn bei der Fortführung des Kühlvorgangs die Absperreinrichtung 4 durch
Betätigung
des Fernschalters 12 wieder geöffnet wird.
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Die
Kühlvorrichtung 1 eignet
sich besonders als Kühlsystem
bei der maschinellen Oberflächenbearbeitung
von Werkstücken.
Da die Absperreinrichtung 4 und die Entspannungsdüse 3 problemlos über mehrere
Meter hinweg räumlich
voneinander getrennt werden können,
lässt sich
die Kühlvorrichtung 1 insbesondere
problemlos in Arbeitsgeräte,
wie Schleif- oder Poliermaschinen, einbauen. Die Handhabung der
Arbeitsgeräte
wird gegenüber
Geräten nach
dem Stande der Technik, die eine unmittelbar an der Entspannungsdüse gelegene
Absperreinrichtung für
den Kohlendioxid-Zustrom benötigen,
erheblich erleichtert.
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- 1
- Kühlvorrichtung
- 2
- Zuführleitung
- 3
- Entspannungsdüse
- 4
- Absperreinrichtung
- 5
- Leitungsabschnitt
- 6
- Abschnitt
(der Zuleitung)
- 7
- Bypassleitung
- 8
- Einrichtung
zur regelbaren Begrenzung des Mengendurchflusses (z. B. Druckreduzierventil)
- 9
- Inertgaszuführung (Bypassleitung)
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- elektronische
Steuereinheit
- 12
- Fernschalter
- 13
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- 14
- Handgerät
- 15
- Zeitrelais
- 16
-
- 17
- Druckwächter
- 18
- Drucksensor