DE102007007247B4

DE102007007247B4 - Anordnung und Verfahren zur Verhinderung der Wärmeleitung zwischen einer Wärmequelle und einer temperatursensiblen Baugruppe

Info

Publication number: DE102007007247B4
Application number: DE200710007247
Authority: DE
Inventors: Dr. Schäffel Christoph; Norbert Zeike
Original assignee: INST fur MIKROELEKTRONIK und MECHATRONIK SYSTEME GGMBH; Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Ggmbh
Current assignee: INST fur MIKROELEKTRONIK und MECHATRONIK SYSTEME GGMBH; Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Ggmbh
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2027-02-15
Also published as: DE102007007247A1

Abstract

Anordnung zur Verhinderung der Wärmeleitung zwischen einer Wärmequelle (1) und einer benachbarten temperatursensiblen Baugruppe (5),), zwischen denen ein Isolator (3) angeordnet ist, wobei auf der Seite des Isolators (3), die der Wärmequelle (1) benachbart ist, sich ein Kühlsystem (2) befindet, und auf der Seite des Isolators (3), die der temperatursensiblen Baugruppe (5) benachbart ist, ein Temperierungssystem (4) mit eingelagerter Heizplatte angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Verhinderung der Wärmeleitung zwischen einer Wärmequelle und einer benachbarten temperatursensiblen Baugruppe, zwischen denen ein Isolator angeordnet ist.
Die Erfindung ist für den Einsatz an Einrichtungen geeignet, die eine hohe Präzision erfordern. Bevorzugte Einsatzgebiete sind Mess- und Prüfmaschinen sowie Präzisionsfertigungsanlagen, Laserbearbeitungsanlagen sowie Einrichtungen der Medizintechnik.
Bei derartigen Anwendungen ist es erforderlich, den Wärmefluss zwischen einem Wärme erzeugendem Bauteil und einer temperatursensiblen Baugruppe zu verhindern um deren sichere Funktion zu gewährleisten. Während die Wärmeübertragung durch Strahlung verhältnismäßig einfach durch Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit gering gehalten werden kann, erfordert die Verhinderung der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung die Anordnung gesonderter Einrichtungen. Hierzu sind im Stand der Technik verschiedene Anordnungen bekannt.
Nach DE 37 22 518 C1 ist eine Temperaturausgleichseinheit für eine Messeinrichtung an Werkzeugmaschinen beschrieben, mit der eine Kompensation von durch Änderungen der Umgebungstemperatur bedingten Messfehlern erfolgt. Die Temperaturausgleichseinheit enthält einen die Arbeitstemperatur der Messeinheit regelnden, an diesen angekoppelten Wärmeaustauscher.
Ferner ist nach DE 103 92 882 T5 eine Einrichtung zur Wärmeisolation für ein Antriebsführungsgerät bekannt, die einen Wärmeisolator enthält. Dabei wird zum Abblocken der von einem Linearmotor erzeugten Wärme zwischen dieser Hauptseite und einem Führungsmechanismus ein Wärmeisolator angeordnet.
In DE 195 31 507 A1 ist eine Schleifmaschine beschrieben, die einen Linearmotor enthält, wobei zwischen Linearmotor und Maschinenbett eine Isolierschicht und eine oder zwei Kühlplatten angeordnet sind.
Ferner ist in DE 196 04 642 A1 ein Linearmotor angegeben, dessen Primärteil mittels eines Kühlkreislaufs gekühlt wird, um die in den stromdurchflossenen Leiterwicklungen entstehenden Verlustwärmemengen anzuführen, wobei das Primärteil von einer kühlmitteldurchströmten Kühlplatte umschlossen wird.
Aus EP 1 143 487 A1 und aus DE 101 15 301 A1 ist eine Linearführung mit einem Luftlager bekannt, bei dem diejenigen Teile des Schlittens, deren Temperatur die Dicke des Luftspaltes beeinflussen, entweder gekühlt oder auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt werden.
Mit den üblichen Wärmeisolierungsanordnungen soll entweder die Wärmeenergie möglichst vollständig vor Ort bleiben, um Energie zu sparen, oder unerwünschte Wärme soll abtransportiert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung soll die Oberflächentemperatur einer Baugruppe mit der Solltemperatur, die im Allgemeinen mit der Umgebungstemperatur übereinstimmt, auf einem konstanten Wert gehalten werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der die Wärmeleitung von einer Wärmequelle auf eine wärmeempfindliche Baugruppe behindert wird, so dass eine exakte Einhaltung der Temperatur an einer Außenfläche dieser Baugruppe gewährleistet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gegenstand der Anmeldung sind auch Merkmalskombinationen bei denen die in den Ansprüchen angegebenen Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist zwischen einer Wärmequelle und einer benachbarten temperatursensiblen Baugruppe ein aktives Kühlsystem angeordnet. Die Anordnung enthält mindestens ein der temperatursensiblen Baugruppe benachbartes, gegebenenfalls aktiv geregeltes, Temperierungssystem mit eingelagerter Heizplatte sowie mindestens einen zwischen dem Kühlsystem und dem Temperierungssystem befindlichen thermischen Isolator. Das System wird vorteilhaft so betrieben, dass sich an dem wärmeempfindlichen Bauteil die Umgebungstemperatur einstellt. Der Wärmefluss von der Wärmequelle zur temperatursensiblen Baugruppe wird dadurch verhindert, dass das Kühlsystem so betrieben wird, dass sich an seiner Kontaktfläche zum thermischen Isolator eine Temperatur einstellt, die geringfügig unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Zum anderen wird mit einem zusätzlich angeordneten Temperierungssystem die Temperatur an der temperatursensiblen Baugruppe exakt auf der Solltemperatur, beispielsweise die Umgebungstemperatur, gehalten.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, Funktionsflächen frei von thermischen Einflüssen zu halten, was beispielsweise für die Führungsflächen von Luftlagerungen von großer Bedeutung ist. Dabei stellt der Isolator einen Wärmewiderstand dar, der nicht als Wärmepuffer dient, sondern dessen Aufgabe es ist, den Wärmefluss zu behindern.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht, eine mehrstufige, insbesondere eine zweistufige Ausführung der Kombination Isolator und Temperierungssystem vor. Damit kann die Temperatur an der Funktionsfläche mit noch höherer Genauigkeit eingehalten werden. Dabei ist es zweckmäßig, die Regeltemperatur des dem Kühlsystem näher gelegenen Temperierungssystems etwa auf das arithmetische Mittel der Temperatur des Kühlsystems und der Solltemperatur zu halten, während das auf der Seite der temperatursensiblen Baugruppe befindliche Temperierungssystem exakt die Solltemperatur einreguliert. Im Allgemeinen wird das Gesamtsystem bei der Umgebungstemperatur betrieben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel beschreibt die Anwendung bei einem Linearmotor mit Primär- und Sekundärteil, und einer benachbarten temperatursensiblen Führungsbaugruppe.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführung mit einfacher Anordnung von Isolator und Temperiersystem und
2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführung mit zweifacher Anordnung von Isolator und Temperiersystem.
In 1 ist ein System einer Ausführung mit einfacher Anordnung von Isolator und Temperiersystem dargestellt. Es besteht aus einer Wärmequelle 1, die hier von dem Linearmotor gebildet wird, einem diesem benachbarten Kühlsystem 2 einem thermischen Isolator 3, dem Temperierungssystem 4 und der temperatursensiblen Baugruppe 5. Das Kühlsystem 2 befindet sich auf der Seite des Isolators 3, die der Wärmequelle 1 benachbart ist. Das Temperierungssystem 4 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Isolators, die der temperatursensiblen Baugruppe 5 zugewandt ist, angeordnet. Es kann vorzugsweise aus einer Kupferplatte mit eingelagerter Heizwendel bestehen.
Soll das Gesamtsystem beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von 20°C betrieben werden, wird mit der Anordnung die Wärmeleitung von der Wärmequelle 1 zur temperatursensiblen Baugruppe 5, der Präzisionsführung verhindert oder zumindest auf unschädliche Werte reduziert. Hierzu wird das Kühlsystem 2 so betrieben, dass sich an dessen Kontaktfläche zum Isolator 3 eine Temperatur einstellt, die etwas unterhalb von 20°C liegt. Um das Abfließen von Wärme aus der temperatursensiblen Baugruppe 5 über den Isolator 3 in das Kühlsystem 2 zu verhindern, wird das Temperierungssystem 4 bei Solltemperatur, im dargestellten Fall also bei 20°C, betrieben. Der erforderliche Wärmestrom, der den Temperaturabfall am Isolator 3 erzeugt, wird somit aus dem Temperierungssystem 4 gespeist. Dadurch wird ein Fluss von Wärmeenergie zwischen den Bauteilen Führungsbahn und Spulenbaugruppe unterbunden. Mit dieser Anordnung kann eine hohe Temperaturstabilität der Außenseite des Kühlsystems unabhängig vom Temperaturverhalten der Spulen, die eine undefinierbare Wärmequelle darstellen, und der veränderlichen Kühlwassertemperatur gewährleistet werden.
2 zeigt eine Ausführung mit zweistufiger aktiver thermischer Isolation. Hierzu sind hintereinander die Bauteile Kühlsystem 2, erster Isolator 3.1, erstes Temperierungssystem 4.1, zweiter Isolator 3.2, zweites Temperierungssystem 4.2 und temperatursensible Baugruppe 5 angeordnet. Für diese Anordnung erfolgt die Regelung zweckmäßigerweise so, dass die Regeltemperatur des dem Kühlsystem 2 näher gelegenen Temperierungssystems 4.1 etwa das arithmetische Mittel der Temperatur des Kühlsystems 2 und der Solltemperatur beträgt.
Bezugszeichenliste

1: Wärmequelle
2: Kühlsystem
3: Isolator
3.1: erster Isolator
3.2: zweiter Isolator
4: Temperierungssystem
4.1: erstes Temperierungssystem
4.2: zweites Temperierungssystem
5: temperatursensible Baugruppe

Claims

Anordnung zur Verhinderung der Wärmeleitung zwischen einer Wärmequelle (1) und einer benachbarten temperatursensiblen Baugruppe (5),), zwischen denen ein Isolator (3) angeordnet ist, wobei auf der Seite des Isolators (3), die der Wärmequelle (1) benachbart ist, sich ein Kühlsystem (2) befindet, und auf der Seite des Isolators (3), die der temperatursensiblen Baugruppe (5) benachbart ist, ein Temperierungssystem (4) mit eingelagerter Heizplatte angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination von Isolator und Temperierungssystem mehrfach hintereinander angeordnet ist.
Verfahren zur Verhinderung der Wärmeleitung zwischen einer Wärmequelle (1) und einer benachbarten temperatursensiblen Baugruppe (5) mit einer Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der temperatursensiblen Baugruppe (5) eine konstante Solltemperatur dadurch eingestellt wird, dass die Temperatur an der Kontaktfläche zwischen dem Kühlsystem (2) und dem Isolator (3) auf eine Temperatur geregelt wird, die etwas unterhalb der Solltemperatur liegt und durch ein zusätzliches, geregeltes Temperierungssystem (4), welches sich auf der Seite des Isolators (3) befindet, die der temperatursensiblen Baugruppe (5) benachbart ist, die Temperatur an der temperatursensiblen Baugruppe (5) auf Solltemperatur geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungssystem (4) aktiv geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Solltemperatur die Umgebungstemperatur dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei zweifach angeordnetem Temperierungssystem (4.1, 4.2) die Regeltemperatur des dem Kühlsystem (2) näher gelegenen Temperierungssystems (4.1) etwa das arithmetische Mittel der Temperatur des Kühlsystems (2) und der Solltemperatur beträgt.