DE102007031379A1

DE102007031379A1 - Kühleinrichtung für Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE102007031379A1
Application number: DE102007031379A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Geerkens; Stefan Greiser; Michael Stader
Original assignee: HELMUT SCHIMPKE INDUSTRIEKUEHL; Helmut Schimpke Industriekuehlanlagen & Co KG GmbH
Current assignee: HELMUT SCHIMPKE INDUSTRIEKUEHL; Helmut Schimpke Industriekuehlanlagen & Co KG GmbH
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Kühleinrichtung für Werkzeugmaschinen oder dgl., umfassend ein Kühlaggregat, das über einen ersten und ggf. weiteren Wärmetauscher (70) mit einem ersten und ggf. weiteren Kühlkreislauf verbunden ist, der eine erste und ggf. weitere zu kühlende Einrichtungen ggf. mit unterschiedlichen Kühlmedien temperiert, wobei die Kühleinrichtung für die höchste anfallende Verlustleistung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung mit einem (oder mehreren) digital leistungsgesteuerten Spiralverdichter (10) in Verbindung mit einem (oder mehreren) elektronischen Expansionsventil (60) vorgesehen ist, welche Anordnung so geschaltet ist, dass der Leistungsbedarf stufenlos zwischen einem Höchstwert (bestimmt durch die Leistungsauslegung der Kühleinrichtung) und einem Niedrigstwert (bestimmt durch den zu erwartenden niedrigsten Leistungsbedarf) automatisch an die in den zu temperierenden Einrichtungen erzeugten Verlustleistungen angepasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für Werkzeugmaschinen oder dgl., umfassend ein Kühlaggregat, das über einen ersten und ggf. weiteren Wärmetauscher mit einem ersten und ggf. weiteren Kühlkreislauf verbunden ist, der eine erste und ggf. weitere zu kühlende Einrichtungen ggf. mit unterschiedlichen Kühlmedien temperiert, wobei die Kühleinrichtung für die höchste anfallende Verlustleistung ausgelegt ist.
Eine derartige Kühleinrichtung für Werkzeugmaschinen ist bereits aus der DE 198 05 394 C2 bekannt. Desweiteren sei auf die EP 1 757 877 A2 verwiesen, die einen Kompressor mit Pumpeninjektionssystem beschreibt und einen Spiralverdichter verwendet.
Die moderne Fertigungstechnik benutzt für Präzisionsteile mit hohem Ausstoß in zunehmenden Maß Werkzeugmaschinen, die, um den hohen Toleranzansprüchen zu genügen, mit Toleranzen von 10/1000 mm arbeiten müssen. Da jedoch bei jedem bewegten Maschinenteil mit Reibungsverlusten und erst recht mit der bei der Zerspannung auftretenden Wärme gerechnet werden muss, ergeben sich sehr unterschiedliche Kühlaufgaben für öle verschiedener Charakteristik und ebenso für Emulsionen.
Die hierfür benötigten Kühleinrichtungen müssen daher für die höchste anfallende Leistung ausgelegt werden.
Bisher war es nicht möglich, die bei Verwendung der bisher üblichen Verwendung von hermetisch abgeschlossenen Kompressoren mit vorgegebenen Schaltzyklen von maximal 10 mal pro Stunde, bedingt durch die jeweils bei der Bearbeitung auftretenden Verlustleistung ohne einen Heißgas-Bypassdauerlauf auszukommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass geringere Energiekosten anfallen und höhere Betriebssicherheit erreicht wird, und damit eine längere Lebensdauer gewährleistet ist. Dabei soll das Regelverhalten schnell sein und unabhängig von Lastschwankungen und Betriebsbedingungen arbeiten.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die Kühleinrichtung mit einem (oder mehreren) digital leistungsgesteuerten Spiral-Verdichter in Verbindung mit einem (oder mehreren) elektronischen Expansionsventil vorgesehen ist, welche Anordnung so geschaltet ist, dass der Leistungsbedarf stufenlos zwischen einem Höchstwert (bestimmt durch die Leistungsauslegung der Kühleinrichtung) und einem Niedrigstwert (bestimmt durch den zu erwartenden niedrigsten Leistungsbedarf) automatisch an die in den zu temperierenden Einrichtungen erzeugten Verlustleistungen anpasst.
Durch die Kombination der Merkmale, insbesondere durch die Kombination eines digital leistungsgesteuerten Spiral-Verdichters mit dem elektronischen Expansionsventil ergibt sich die Möglichkeit, für alle für den vollautomatischen Betrieb erforderlichen Schalt- und Regelgeräte eine Temperaturgenauigkeit von < 0,5° K zu erreichen, sowohl als Festwert-, wie auch als Führung-Folge-Temperaturregelung. Insbesondere ist damit eine Anpassung an den Leistungsbedarf von 10 oder 100% möglich. Hierdurch entstehen geringere Kosten und höhere Betriebssicherheit als bei bisherigen Invert-Regelsystemen, des weiteren verringert der niedrigere Ein- und Ausschaltzyklus die Abnutzung, wodurch die Lebensdauererhöhtwird, außerdem wird ein geringerer Einschaltstrom und ein schnelleres Regelverhalten unabhängig von Lastschwankungen und Betriebsbedingungen erreicht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Kühlkreisläufe vorgesehen, die durch nur einen einzigen oder durch mehrere Spiral-Verdichter versorgt werden. Ermöglicht wird dies durch die Leistungsanpassung, die oben geschildert wurde.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine digitale Leistungssteuerung für den Verdichter vorgesehen, die die Verlustleistungen der verschiedenen Kühlkreisläufe erfasst und die Leistung des Verdichters daran anpasst.
Gemäß einer noch anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Digitalsteuerung für den Verdichter vorgesehen, die den Verdichter so ansteuert, dass der Anlauf des Verdichters stets im entlasteten Zustand erfolgt.
Gemäß einer noch anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Digitalsteuerung für den Verdichter vorgesehen, die in Zusammenarbeit zwischen dem digital leistungsgesteuerten Verdichter und dem elektronischen Expansionsventil zur Verringerung der Ein- und Ausschaltzeit des Verdichters und zur Erhöhung der Lebensdauer führt.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das elektronische Expansionsventil derart gestaltet, dass die Ventilöffnung im wesentlichen proportional zu einer Anzahl von Schritten eines Schrittmotors ist, der die Ventilkolbenstange z. B. mittels Schneckenradantrieb verschiebt. Das elektronische Expansionsventil ist dabei mit einer Schrittgeschwindigkeit von mehr als 500 pro Sekunde steuerbar. Im übrigen kann das elektronische Expansionsventil so gestaltet sein, dass es eine Nennleistungsveränderung von mindestens 150 Watt pro Schritt (bei Kältemittel R134a) bzw. bis mindestens 200 Watt pro Schritt (bei Kältemittel R407C) ermöglicht.
Durch die erfindungsgemäße Kühleinrichtung wird erreicht, dass diese unterschiedlichen Leistungen und gleichzeitig wahrnehmenden Aufgaben, die bisher durch getrennte Kühlkreisläufe bewältigt wurden, mit nur einem Kühlkreislauf erledigt wird, das bedeutet, beachtliche Einsparungen beim Aufbau der Apparate, da bisher für jeden Kreislauf ein Wendelkompressor mit Schaltelementen vorhanden sein musste bzw. bei Verwendung von einem Standard-Vollthermik-Kompressor dieser auf Dauerlauf geschaltet werden musste. Diese Gerätesätze sind fertigungstechnisch gesehen mit vielen Nebenapparaturen bestückt, die kostbaren Raum verschlingen. Die Forderung nach einer größeren Leistung auf kleinstem Raum hat deshalb in der einschlägigen Kältetechnik besondere Bedeutung.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
Es zeigt:
1 in perspektivischer Form eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht von hinten auf die Anordnung gemäß 1;
3 eine Ansicht gemäß 2, jedoch mit weggebrochenen Gehäuseteilen zur Darstellung der einzelnen Bauelemente der Kühleinrichtung;
4 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung in Blockschaltbildform; und
5 ein weiteres Blockschaltbild zur Erläuterung der Erfindung.
1 zeigt von vorn perspektivisch dargestellt ein Gehäuse, in dem die erfindungsgemäße Kühleinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform untergebracht ist. 2 zeigt das gleiche Gehäuse von hinten auch in perspektivischer Form, während 3 ein Blick in das Innere des Gehäuses gewährt. Die dort dargestellte Kühleinrichtung für Werkzeugmaschinen oder dgl., umfaßt ein Kühlaggregat, das über einen ersten und ggf. weiteren Wärmetauscher (Plattenwärmetauscher 20) mit einem ersten und ggf. weiteren Kühlkreislauf (nicht dargestellt) verbunden ist, der eine erste und ggf. weitere zu kühlende Einrichtungen (nicht dargestellt) ggf. mit unterschiedlichen Kühlmedien temperiert, wobei die Kühleinrichtung für die höchste anfallende Verlustleistung ausgelegt ist. Diese Kühleinrichtung besteht aus einem digitalen leistungsgesteuerten Spiralverdichter 10 in Verbindung mit einem elektronischen Expansionsventil 60, welche Anordnung so geschaltet ist, dass der Leistungsbedarf stufenlos zwischen einem Höchstwert (bestimmt durch die Leistungsauslegung der Kühleinrichtung) und einem Niedrigstwert (bestimmt durch den zu erwartenden niedrigsten Leistungsbedarf) automatisch an die in den zu temperierenden Einrichtungen erzeugten Verlustleistungen anpasst.
Das Blockschaltbild gemäß 4 zeigt einen Weg, der eingeschlagen werden kann, um das zu erreichen. Dort ist wiederum der Spiralverdichter 10 zu erkennen, der durch einen Motor M angetrieben wird, der seinerseits über ein Ventil 180, das digital gesteuert wird, mit Kühlflüssigkeit versorgt und dadurch gekühlt wird.
Über Ein- und Ausgang des Kompressors 10 sind Drucksensoren für hohe und niedrige Druckgrenzen 80 vorgesehen, die entsprechende Steuersignale an die Steuereinrichtung liefert.
Vom Verdichter 10 führt die Druckleitung des unter Druck und Wärme stehende Kältemittels zum Wärmetauscher 20, wo die Wärme abgeführt wird und über beispielsweise eine Austrittsleitung sicher weggeführt wird. Vom Wärmetauscher 20 gelangt das abgekühlte Kältemittel dann in den Flüssigkeitssammler 30, und von dort in den Filtertrockner 40. Über ein Schauglas 50 fließt dann das Kältemittel zu dem elektronischen Expansionsventil 60, wo das Kältmittel entspannt und weiter abgekühlt wird, so dass der anschließende Wärmetauscher 70 über Leitung A1 zugeführtem Öl oder sonstiger Flüssigkeit Wärme entzieht und dabei wieder verflüssigt wird. Über einen Messfühler 190 gelangt dann das Kältemittel zu dem Druckwandler 170, wo die Druckwerte ermittelt werden, und von wo schließlich das Kältemittel in den Kompressor 10 zurückgelangt.
5 zeigt den Kreislauf, der durch den Wärmetauscher 70 gekühlt wird. Der Wärmetauscher 70 liegt zwischen den Anschlüssen E1A1 und damit hinter einem Strömungswächter 300 und vor einem Thermostat 290. Von dort gelangt die gekühlte Flüssigkeit, beispielsweise Bohröl, in den Mischbehälter 310, von dem wiederum über ein Ventil 330 Flüssigkeit in eine Leitung gelangt, die über eine Kreiselpumpe 270 und ein Manometer 320 sowie ein Ventil 331 zum Austritt führt.
Erwähnenswert sind noch ein Ablassventil 240 und ein Sicherheitsventil 260.
Auch ein Ausdehnungsgefäß 250 ist vorhanden, das überschüssige den Druck erhöhende Flüssigkeitsmengen aufnimmt und wieder abgibt. Außerdem existiert eine Schnellentlüftung 340.
Alle diese Einrichtungen sind in dem kompakt gestalteten Gehäuse angeordnet, das in 3 erkennbar ist.
Das Manometer 23 und das Sicherheitsventil 260 sind auch in 1 zu erkennen, die von außen bedienbar sind. Außerdem ist ein Kugelhahn 240 zu erkennen, der auch in 5 dargestellt ist und zum Ablassen von Flüssigkeit dient. Außerdem zeigt 1 einen Hauptschalter 600 und einen Temperaturregler 590.
In 2 ist der Aufbau des Blechgehäuses näher erläutert, wobei mit 41 das Deckblech mit Anschlüssen bedeutet, 21 sind Ringschrauben, die zum Anheben des Gerätes dienen, mit 51 ist das Deckblech mit Gitter bezeichnet, mit 71 das zweifach vorhandene Seitenblech, mit 81 das rückseitige Deckblech, mit 131 das Halteblech für den Wärmetauscher, mit 111 das Haltebelch für die Kreiselpumpe, mit 121 das Halteblech für den Kompressor und Sammler.
Mit 101 ist ein sogenanntes Z-Blech bezeichnet.
In 4 ist noch ein Kühlwasserregler 110 zu erkennen, der durch ein Ventil 90 überbrückt werden kann, in welchem Falle die Absperrhähne 120 zu schließen wären. Das Kühlungsregelventil ist verbunden mit dem Kühlkreislauf über ein Handabsperrventil 160.
Das Kühlwasser tritt bei 3 ein und bei 4 aus. Das dient dazu, die erhitzte Flüssigkeit aus dem Kompressor über den Plattenwärmetauscher 20 abzukühlen und die Kühlflüssigkeit steuert auch einen Kühlwasserregler 110.

10: (Spiral-)Verdichter
20: (Platten-)Wärmetauscher
21: Ringschraube
30: Flüssigkeitssammler
40: Filtertrockner
41: Deckblech für Anschlüsse
50: Schauglas
51: Deckblech mit Gitter
60: elektronisches Expansionsventil
70: Wärmetauscher
71: Seitenblech
80: Drucksensoren für niedrigsten und höchsten Druck
81: Deckblech Rückseite
101: Z-Blech
111: Behälterblech, Pumpenblech
121: Halteblech für Kompressor und Sammler
131: Halteblech für Wärmetauscher
141: Halteblech für Druckschalter
151: Schaltschrank
170: Druckwandler
180: digital steuerbares Ventil für Motorkühlung
190: Tauchfühler
240: Kugelhahn
250: Ausdehnungsgefäß
260: Sicherheitsventil
270: Kreiselpumpe
280: Drucksensor
290: Thermostat
300: Strömungswächter
310: Mischbehälter
320: Manometer
330: Absperrhahn
331: Absperrhahn
340: Schnellentlüfter
590: Temperaturregler
600: Hauptschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19805394 C2 [0002]
- EP 1757877 A2 [0002]

Claims

Kühleinrichtung für Werkzeugmaschinen oder dgl., umfassend ein Kühlaggregat, das über einen ersten und ggf. weiteren Wärmetauscher (70) mit einem ersten und ggf. weiteren Kühlkreislauf verbunden ist, der eine erste und ggf. weitere zu kühlende Einrichtungen ggf. mit unterschiedlichen Kühlmedien temperiert, wobei die Kühleinrichtung für die höchste anfallende Verlustleistung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung mit einem (oder mehreren) digital leistungsgesteuerten Spiralverdichter (10) in Verbindung mit einem (oder mehreren) elektronischen Expansionsventil (60) vorgesehen ist, welche Anordnung so geschaltet ist, dass der Leistungsbedarf stufenlos zwischen einem Höchstwert (bestimmt durch die Leistungsauslegung der Kühleinrichtung) und einem Niedrigstwert (bestimmt durch den zu erwartenden niedrigsten Leistungsbedarf) automatisch an die in den zu temperierenden Einrichtungen erzeugten Verlustleistungen angepasst wird.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlkreisläufe vorgesehen sind, die durch jeweils einen Verdichter (10) versorgt werden.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine digitale Leistungssteuerung (180) für den Verdichter (10) vorgesehen ist, die die Verlustleistungen der verschiedenen Kühlkreisläufe erfasst und die Leistung des Verdichters (10) daran anpasst.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Digitalsteuerung für den Verdichter (10) vorgesehen ist, die den Verdichter (10) so ansteuert, dass der Anlauf des Verdichters (10) stets im entlasteten Zustand erfolgt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Digitalsteuerung für den Verdichter (10) vorgesehen ist, mit dem die in Zusammenarbeitzwischen dem digital leistungsgesteuerten Verdichter (10) und dem elektronischen Expansionsventil (60) zu Verringerung der Ein- und Ausschaltvorgänge des Verdichters (10) und zur Erhöhung von dessen Lebensdauer führt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Expansionsventil (60) derart gestaltet ist, dass die Ventilöffnung im wesentlichen proportional zu einer Anzahl von Schritten eines Schrittmotors ist, der die Ventilkolbenstange z. B. mittels Schneckenradantrieb verschiebt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Öffnung pro Schritt, d. h. die Auflösung oder Steuerungsungenauigkeit weniger als 1 Promille beträgt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Expansionsventil (60) mit einer Schrittgeschwindigkeit von mehr als 500 pro Sekunde steuerbar ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Expansionsventil (60) so gestaltet ist, dass es eine Nennleistungsveränderung von mindestens 150 Watt pro Schritt (bei Kältemittel R134a) bzw. bis mindestens 200 Watt pro Schritt (bei Kältemittel R407C) ermöglicht.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermostatisches Expansionsventil (60) am Eingang des Verdampfers bzw. Wärmetauschers (70) zum Einsatz kommt, wobei ein Thermostatsensor die Temperatur am Ausgang des Verdampfers ermittelt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (60) auch von einem Defroster-Zeitglied angesteuert wird, um Eisbildung abzutauen.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (160) eine Magnetsteuerung besitzt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (40) am Verdampfereingang ein elektronisch ansteuerbares Ventil ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Schrittmotorventil zur Vermeidung einer Überhitzung mehrere Parameter berücksichtigt, wie unterschiedliche Kältemittel, unterschiedliche Verdampfer von ggf. unterschiedlichen Herstellern, zusätzliche Steuerung für den Kühlraum, Störgrößen (Beschickung etc.) und Unterkühlung.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Leistungsregelung durch gegenseitige axiale Beweglichkeit der Spiralen ermöglicht wird.
Kühleinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter-Spiralen axial zueinander verschoben werden können.
Kühleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter-Spiralen radial nachgiebig sind.