DE102010049953A1

DE102010049953A1 - Anordnung mit Vorrichtungen zu integrierter Kühlung und/oder Heizung sowie ein Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung

Info

Publication number: DE102010049953A1
Application number: DE102010049953A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Frank
Original assignee: IMO Holding GmbH
Current assignee: IMO Holding GmbH
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: ES2812505T3; WO2012052521A1; EP2630381A1; DE102010049953B4; EP2630381B1; DK2630381T3; CN103299095B; CN103299095A; US20130287328A1; US9234548B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung, beinhaltend gegeneinander verdrehbare Komponenten (1) (3) und Vorrichtungen zur integrierten Beheizung oder Kühlung der Wälzkörperlaufbahnen (2) oder dieser gegeneinander verdrehbaren Komponenten (1) (3) sowie ein Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung betreffend ein Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder eine Drehverbindung jeweils beinhaltend gegeneinander verdrehbare Komponenten (1) (3) und Vorrichtungen zur integrierten Beheizung oder Kühlung dieser Komponenten (1) (3) und Wälzkörperlaufbahnen (2) gekennzeichnet dadurch, dass die jeweils heizende oder kühlende Wirkung durch direkten Wärmeeintrag in die Komponenten oder direkte Wärmeabfuhr aus den Komponenten (1) (2) (3) erfolgt und definiert steuerbar ist und durch Zusammenspiel von Kälte- oder Wärme erzeugenden Elementen (18) oder Funktionen oder Vorrichtungen gebildet wird und wobei die Umschaltung zwischen heizender Wirkung und kühlender Wirkung möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung mit Vorrichtungen zu integrierter Kühlung und/oder Heizung sowie ein Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.
Aktuell handelsübliche und im Einsatz befindliche Großwälzlager, Lager und allgemeine Drehverbindungen des Maschinen- und Anlagenbaus, die auch in Schwenktrieben eingesetzt werden können, um eine Unterkühlung der Lagerkomponenten – insbesondere der beanspruchten Komponenten in und um die Laufbahnen der Drehverbindung(en) – zu vermeiden, werden mittels einer Flüssigkeit oder mittels eines Öls gekühlt. Es existieren auch technische Lösungen, nach dem die Lagerkomponenten, insbesondere die beanspruchten Komponenten, mittels einer Flüssigkeit oder mittels eines Öls, oder sogar mittels elektrischer Heizung, beheizt werden.
Derartige Großwälzlager, Lager und allgemeine Drehverbindungen des Maschinen- und Anlagenbaus, werden häufig auch in solchen Anwendungsfällen eingesetzt, die von starken Temperaturschwankungen und/oder extremen Einsatzgebieten betroffen sind. Insbesondere werden solche Teile häufig in Windkraftanlagen, Kränen, Schiffskränen, im Tunnelbau, oder auf allen erdenklichen anderen Einsatzfeldern benutzt. Es ist in jedem Falle festzustellen, dass Großwälzlager, Lager und allgemeine Drehverbindungen des Maschinen- und Anlagenbaus teilweise extremen Temperatur- und Umweltbedingungen ausgesetzt sind, somit auch extremer Hitze oder extremer Kälte. Es existieren gemäß Stand der Technik vielfältige Lösungen, die das Thema Kühlung oder Heizung in Verbindung mit Großwälzlager, Lager und allgemeinen Drehverbindungen behandeln.
In der DE 10 2005 058 141 A1 und der zugehörigen WO 2007/065412 A1 geht es um ein Wälzlager mit mindestens einem beheizten Wälzlagerring so, dass ein elektrisches Heizelement in gut wärmeleitendem Kontakt auf einem Oberflächenabschnitt des beheizten Wälzlagerringes aufgebracht ist wobei die vom Heizelement generierbare Wärmemenge so bemessen sei, dass der beheizte Wälzlagerring beim Aufheizen eine thermische Ausdehnung erfährt. Diese Ausdehnung ermöglicht die Montage des Wälzlagers an einem Gestellelement unter Ausbildung einer Schrumpfpassung bei nachfolgender Abkühlung. Der Gesichtspunkt, der unter Schutz gestellt werden sollte, war die Möglichkeit der Montage. Es war nicht bestimmtes Ziel dieser Lehre, ein Wälzlager mit Heizelement zum Schutz des Wälzlagers vor niedrigen Temperaturen zu schaffen, sondern vielmehr die physikalischen Eigenschaften der Temperaturausdehnung zu nutzen, um eine Schrumpfpassung zu fertigen.
In der DE 10 2008 052 287 A1 geht es um eine Lageranordnung, umfassend ein Lager, das von einem Medium (insbesondere Wasser) durchströmt sei und eine Filtereinrichtung, die dem Lager einströmseitig vorgeschaltet sei um die Partikel aus dem Medium zu entfernen, und eine Welle, die in dem Lager aufgenommen ist, so, dass eine Fördereinrichtung für das Medium dem Lager ausströmseitig nachgeschaltet sei und die den Fluss des Mediums durch das Lager steuere. Der Sinn und Ziel dieser technischen Lehre sei die Schaffung einer geeigneten Fördereinrichtung für das Medium Wasser, welche dem Lager einströmseitig nachgeschaltet ist um die Partikel aus dem Strömungsmedium zu entfernen, und nicht die Kühlung des Lagers an sich. Aus weiterführendem Stand der Technik sind flüssigkeitsgekühlte Lageranordnungen durchaus bekannt.
In den Schriften DE 2021156 B2 , WO 99/35414 , DE 4234303 A1 , und DE 10 2004 015 176 A1 geht es insgesamt um entweder um eine Kühlvorrichtung für ein reibarmes Lager zur Lagerung einer rotierenden Achse, bestehend aus einem auf einer hohlen Hülse aufgebrachtem Innenring und einem Außenring, und dazwischen angeordneten Wälzkörpern, wobei die Wärmeabfuhr sowohl durch Kühlrippen als auch durch innerhalb der Gesamtkonstruktion angeordnete zylinderförmige Kühlgänge erfolgen soll die mit beispielsweise Sodium gefüllt sind, oder aber es geht um ein Lager bestehend aus zwei Ringen mit Laufbahnsystem, Wälzkörpern und Käfig, wobei der Käfig kühlende Eigenschaften haben soll (nicht basierend auf aktiver Kühlung) oder aber es geht um ein Lager mit verbesserter Wärmeabfuhr, bestehend aus einem äußeren Laufring einem inneren Laufring und dazwischen angeordneten, auf zugehörigen Laufbahnen abrollenden Körpern, die eine vermeintlich verbesserte Wärmeabfuhr durch innerhalb des Wälzlagers angeordnete Wärmerohre beschreibt, oder aber es geht um ein Lager (Wälzlager) mit mindestens einen Außenring und Innenring so aufweisend, dass mindestens einer dieser Ringe mindestens einen Hohlraum aufweist, der zumindest teilweise mit einem Medium, vorzugsweise mit einem Metall oder mit Öl von eher geringem Schmelzpunkt (250°), gefüllt sei. Das hier Anwendung findende Prinzip ist das des Wärmerohres (engl. Heat-Pipe).
Von einer passiven oder indirekten Kühlung kann allgemein gesprochen werden, wenn eine indirekte Kühlung vorliegt, wie beispielsweise beim Prinzip des Wärmerohres (engl. Heat-Pipe), oder aber beim Prinzip der Wärmekonvektion. Ein Wärmerohr funktioniert allgemein als ein Wärmeüberträger, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, d. h. auf kleiner Querschnittsfläche können große Mengen Wärme transportiert werden. Bei dem Prinzip des Wärmerohres wird entstehende Wärme durch ein in dem „Rohr” liegendes Arbeitsmedium aufgenommen, das infolge einer gewissen Wärmeaufnahmemenge seinen Aggregatzustand ändert (beispielsweise eine verdampfende Flüssigkeit oder eine flüssig werdender Feststoff oder ein Pulver) und durch den Phasenübergang bei ausreichend hoher Erwärmung die sogenannte latente Wärme absorbiert. Die Wärme wird von der Wärmequelle zur Wärmesenke wegtransportiert. Eine in die gasförmige Phase übergehende Flüssigkeit verdampft und schlägt sich an einer anderen, kühleren Oberfläche ab, wo eine Kondensierung erfolgen kann.
Eine andere Art der passiven Kühlung ist die Wärmekonvektion, die gemäß dem genannten Stand der Technik ebenso bekannt ist. Dabei wird beispielsweise an Kühlrippen, Radiatoren, et cetera, die in einem Teil vorhandene Abwärme an die umgebende Luft abgegeben.
Gesamthaft ist hier zusammenzufassen, dass die technischen Lösungen des aktuellen Technikstandes gemäß oben genannten Dokumenten oft den großen Nachteil haben, dass sie entweder im Rahmen einer Beheizung, oder aber im Rahmen einer Kühlung von Teilen der Lageranordnung gefunden wurden. Die vorgenannte Technologie beherrscht es nicht, das Wälzlager, Großwälzlager, den Schwenktrieb oder die Drehverbindungen ohne großen Aufwand entweder aktiv zu beheizen und/oder aktiv zu kühlen. Die Wärme wird oft nicht dort entzogen, wo sie entsteht, sondern nur indirekt. Eine mäßig regelbare und technisch in etwa beherrschbare, aktive Kühlung ist aktuell meist nur mittels Öl-/Flüssigkeitskühlung möglich. Hierzu werden dann jedoch aufwendige Dichtungs- und Filteranlagen benötigt, die zusätzliche Aufwände und somit Mehrkosten bedeuten. Insbesondere fettgeschmierte Drehverbindungen lassen sich bis heute schlecht direkt beziehungsweise aktiv kühlen – eine Flüssigkeitskühlung kommt zumeist nicht in Frage. Zusammenfassend beschreibend ist der aktuelle Stand der Technik zur Kühlung/Beheizung nicht zufriedenstellend und Bedarf der Verbesserung. Die aktuell bekannten Möglichkeiten der aktiven Öl- oder Flüssigkeitsbeheizung bzw. Flüssigkeitskühlung sind nicht optimal, da die Durchströmung des Lagers nicht optimal stattfindet, um den Wärmeeintrag/Wärmeabtrag bestmöglichst effektiv zu gestalten.
Insbesondere fettgeschmierte Drehverbindungen lassen sich bis heute schlecht direkt kühlen oder auch schlecht direkt beheizen. Hier bleibt dem Fachmann zumeist nur die (unzureichende) indirekte Kühlung als Lösung übrig. Bei sehr tiefen Temperaturen (etwa –40°C und kälter) ist das Fett im Lager steif und behindert den Lauf des Lagers beziehungsweise den Anlauf der Anlage. Bei sehr hohen Temperaturen hingegen wird das Öl im Fett niedrigviskos, und das Schmierfett wird dadurch negativ beeinflusst. Sowohl zu niedrige, als auch zu hohe Temperaturen mindern die Qualität des Schmierfettes vorzeitig, sodass das Schmierfett vorzeitig ausgetauscht werden muss. Auch dies ist in der Praxis zeitaufwändig und verursacht Stillstandszeiten der Anlage und somit teilweise erhebliche Kosten. Eine direkte, also aktive Kühlung und Beheizung für Großwälzlager, Lager und allgemeine Drehverbindungen des Maschinen- und Anlagenbaus, die auch in Schwenktrieben eingesetzt werden können um eine Unterkühlung/Überhitzung der Lagerkomponenten insbesondere der beanspruchten Komponenten in und um die Laufbahnen der Drehverbindung(en) zu vermeiden, auch effizient einsetzbar für fettgeschmierte Anlagenteile, würde sich insbesondere dann als erfindungsgemäß vom vorbekannten Stand der Technik abgrenzen, wenn zusätzlich zu den in [0009] genannten Sachverhalten, die zu kühlenden/heizenden Teile über direkt steuerbare oder regelbare Maßnahmen beeinflusst werden könnten.
Alle oben genannten Ausführungen betrachtend gilt es ein erfindungsgemäßes System zu schaffen, bei dem die Wärme auch bei Fettschmierung direkt, schnell und effizient, aus dem Lager vorzugsweise mittels aktiver Kühlung abtransportiert wird. Selbiges System soll zugleich auch dafür geschaffen sein, dass das Lager bzw. Großwälzlager bzw. Drehverbindung oder Schwenktrieb, schnell und effizient im Sinne einer aktiven Beheizung beheizt werden kann. Die Lösung ergibt sich durch die vorliegende Erfindung, beschrieben durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmalen.
Zusammenfassend soll während des Betriebes die Anordnung (Lager bzw. Großwälzlager bzw. Drehverbindung bzw. Schwenktrieb) davor geschützt sein, zu hohe oder zu tiefe Temperaturen zu erfahren. Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße System und dessen sinnvolle Beschaltung gewährleistet, dass auch beim Anfahren der Anlage keine zu hohen oder zu tiefen Temperaturen herrschen. Die aktive Beheizung/Kühlung kann dabei unterstützt werden durch indirekt (passiv) kühlende oder heizende Maßnahmen, Vorrichtungen und Funktionen. Um die oben allesamt genannten Nachteile zu verringern bietet sich insbesondere die vorliegende Erfindung an.
Die wesentlichen Elemente zur Kühlung/Heizung sind dabei in der Anordnung, beispielsweise der Drehverbindungen und/oder dem Schwenktrieb, integriert. Es kann sich auch um Möglichkeiten der der aktiven Medienbeheizung bzw. Medienkühlung handeln, wobei die Durchströmung des Lagers mit dem Wärmeaustauschmedium optimaler gestaltet ist, beispielsweise durch verbesserte Druchströmungsgeometrien. Durch die nachfolgend beschriebene Erfindung sollen Ausfälle von Anlagen infolge mangelhafter, durch Extremtemperaturen geschädigter, Bestandteile der Anlage, verringert und vermieden werden.
Insbesondere durch aktive Kühler wie Lüfter, Peltier-Elemente, oder dergleichen wird eine direkte, also aktive Kühlung erreicht, ohne die Nachteile, die die Zusatzapparaturen bei einer reinen Flüssigkeitskühlung erfordern, in Kauf nehmen zu müssen. Auch fettgeschmierte Teile werden dadurch direkt kühlbar. Die direkte Steuerung der Kühlleistung erfolgt dabei durch die definierte Bestromung der elektrotechnischen Beschaltung der erfindungsgemäßen Anordnung, oder durch die Beaufschlagung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer definierten, beispielsweise geeignet gesteuerten oder geeignet geregelten, elektrischen Spannung.
Es ist gut denkbar, diese elektothermisch verursachte aktive Kühlwirkung mit der aktiven Kühlwirkung durch ein durchströmendes Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines fließenden Gemischs, zu verstärken, wenn zeitgleich eventuelle Probleme der elektrischen Isolation gelöst sind.
Als aktive Beheizung für Großwälzlager, Lager und allgemeine Drehverbindungen des Maschinen- und Anlagenbaus, die auch in Schwenktrieben eingesetzt werden können zu nennen ist jede definierte elektrische Beheizung einer Anordnung oder Apparatur, die mittels geeigneter Bestromung von Heizelementen erfolgt.
Es ist ebenfalls gut denkbar, diese elektrothermisch verursachte aktive Heizwirkung mit der aktiven Heizwirkung eines durchströmenden Mediums, das wärmer ist als die Temperatur der durchströmten Teile, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines fließenden Gemischs, zu verstärken, wenn zeitgleich eventuelle Probleme der elektrischen Isolation gelöst sind.
Die Lösung der zum Nachteil gereichenden Probleme gemäß dem herkömmlichen Stand der Technik gelingt in erster Näherung, wenn in einer ersten Stufe zusätzliche Bohrungen auf den Innenring oder Außenring der Drehverbindung eingebracht werden, oder Einstiche auf dem Umfang des Innenrings oder Außenrings eingebracht werden. Ziel dieser Maßnahmen ist es, die Wärmeabfuhr aus der Drehverbindung durch Luftkonvektion zu erhöhen/verbessern. Diese Maßnahme kann als zusätzliche Kühlungsmaßnahme zur folgend beschriebenen direkten Kühlungsmaßnahme eingesetzt werden. Wenn zusätzlich zu diesen am Umfang entlanglaufenden Einstichen ein ringförmiger Mantel um die Drehverbindung angebracht wird, welcher die Einstiche strömungsdicht, insbesondere wasserdicht, verschließt, so kann durch diese Einstiche ein Wärmeaustauschmedium geleitet werden.
Die Lösung gelingt vor Allem dann, wenn das Lager (Großwälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb, et cetera) zusätzlich mit Kühl- und Heizelementen versehen wird, welche elektrisch betrieben werden. Weiter oben angesprochen wurden schon Heizdrähte, jedoch ist auch die vorteilhafte Verwendung von elektrothermischen Wandlern und/oder die Nutzbarmachung thermoelektrischer Effekte denkbar, beispielsweise in der bekannten Anwendungsform der sogenannten Peltier-Elemente oder Peltier-Kühler. Derartige Heiz- oder Kühlelemente können sowohl in Einstichen oder anderen Materialaussparungen, als auch im Dichtungsspalt zwischen den Lagerhälften, oder auf Planflächen an Innenring und/oder Außenring, oder gegebenenfalls sogar in den Laufbahnen der Gesamtanordnung eingebracht werden.
Ein solcher elektrothermischer Wandler basiert vorzugsweise auf dem Peltier-Effekt und generiert bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder auch bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss (Seebeck-Effekt). Werden derartige Elemente auf einer Teilpartie oder Fläche des Lagers (Großwälzlagers, Drehverbindungs, Schwenktriebs, et cetera) angebracht, so kann selbiges Lager (Großwälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb, et cetera) sowohl gekühlt, als auch beheizt werden. Der Unterschied zwischen Beheizung, bewirkend einen definierten Wärmeeintrag, oder Kühlung, bewirkend einen definierten Wärmeabtrag, liegt in der Beschaltung der elektrischen Pole des elektrothermischen Wandlers. Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet eine geeignete Beschaltung des elektrothermischen Wandlers, sodass als Resultat das Lager (Großwälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb, et cetera) entweder gekühlt, oder – etwa bei Stromrichtungsumkehr – beheizt werden kann.
Eine weitere, zusätzliche Stufe zur Abfuhr von in der Drehverbindung oder im Lager entstehender Wärme ist das Fluten/Befüllen der Drehverbindung oder des Großwälzlagers (oder des Schwenktriebes) mit einem Kühl- oder Heizmedium, nachfolgend vereinfachend auch Medium oder Wärmeaustauschmedium genannt, wie beispielsweise Wasser, Luft, Öl oder einem schwer entzündlichen Gasgemisch. Hierzu werden entweder auf dem Umfang des Außenrings oder des Innenrings Materialaussparungen eingebracht, welche mit einer mantelförmigen Komponente, beispielsweise ein die Drehverbindung oder ein das Lager umhüllendes Hohlteil, auch Mantelteil genannt, umschlossen werden. Durch diese Materialaussparungen (Ringkammern, Ringsegmente, Ringnut, ringförmige Einstiche, Mäanderförmige Tunnel, umlaufende Bohrungen, et cetera ..) wird ein Kühlmedium zur Wärmeabfuhr, oder aber ein Heizmedium zum Wärmeeintrag, geleitet.
Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass auf der Umlauffläche der Gesamtanordnung mehrere umlaufende Materialaussparungen eingebracht werden können, oder aber eine einzige schraubengewindeartig umlaufende Materialaussparung eingebracht ist. Sofern eine einzige umlaufende Materialaussparung eingebracht ist, so hat diese einen zumindest einen definierten Einlassort des Wärmeaustauschmediums, als auch zumindest einen definierten Auslassort des Wärmeaustauschmediums. Sofern mehrere umlaufende Materialaussparungen eingebracht sind, so können diese parallel und strömungsphysikalisch unabhängig voneinander mit jeweils einem definierten Einlassort und jeweils einem Auslassort versehen sein.
Es besteht vorzugsweise auch die Möglichkeit diese derartigen Materialaussparungen anzubringen und zusätzlich mit Heizdrähten auszustatten, sodass ein, gegebenenfalls zusätzlicher, Beheizungseffekt infolge der Heizwirkung durch elektrische Durchströmung geschieht. Analog gesehen kann man diese Materialaussparungen auch mit Peltier-Elementen ausstatten.
Praktisch gesehen ist es so, dass heutige Wälzlager, Großwälzlager, Drehverbindungen, in Schwenktrieben eingesetzte Drehverbindungen, häufig über eine Füllbohrung verfügen, durch die in der Praxis das Befüllen des Laufbahnsystems mit Wälzkörpern geschieht. Bezogen auf die vorliegende Erfindung ist jene Füllbohrung vorzugsweise dann von der Medienumströmung geometrisch abgegrenzt, somit ausgenommen und gegen Austritt des Wärmeaustauschmediums abgedichtet. Alternativ hierzu kann auch nur oberhalb oder unterhalb der Füllbohrung ein Kanal oder eine Materialaussparung für das Wärmeaustauschmedium angebracht sein. Über Bohrungen im mantelförmigen Teil, oben beispielhaft als Einlassort und Auslassort bezeichnet, kann das Wärmeaustauschmedium zugeführt und abgeführt werden.
Zweckmäßigerweise liegen diese Bohrungen nahe beieinander, sodass durch eine einfach eingebrachte Barriere zwischen den Bohrungen, beispielsweise durch Anbringung eines anderen Materiales, der Fluss des Mediums um das ganze ringförmige Lager ermöglicht wird. Die Materialaussparungen, durch die das Medium ringförmig das Lager durchfließt, können im Mantelteil eingebracht sein und auch mäanderförmig, spiralförmig, ausgestaltet sein.
Diese Materialaussparungen können erfindungsgemäß auch in mehreren ringförmigen Lagen, in mehreren Ebenen und in jeweils unterschiedlicher Eindringtiefe in das Material des Großwälzlagers, des Lagers, der Drehverbindung oder des Schwenktriebes eingebracht werden und dann vorhanden sein. Diese Materialaussparungen können prinzipiell auch als axiale Bohrungen/Nuten/Einstiche vorhanden sein.
In einer weiteren Ausführungsform können auch von Bohrungen in das Lager eingebracht sein, die durch Verbindungskanäle, Rohre, oder ähnlichem, nachfolgend auch Verbindungsstücke genannt, so verbunden sind, dass sich zwangsweise ein Durchfluss des Lagers, Großwälzlagers, Schwenktriebes ö. Ä. ergibt.
Diese Bohrungen können vorteilhafterweise auch mir einer ringförmigen Materialaussparung (Nut, Einstich, et cetera) verbunden sein, in welche die Verbindungsstücke so eingebracht sind, dass sie nicht über die Planfläche des Lagers (Großwälzlagers, Drehverbindung, Schwenktriebes, et cetera) hinausragen, somit besonders (weil innen liegend) geschützt sind, und das Lager mir dieser Fläche auch auf der Anschlußkonstruktion, die dem Lager (Großwälzlagers, Schwenktriebes, et cetera) geometrisch folgt, aufliegen und mit Schrauben wie üblich befestigt werden kann.
An den Planflächen können, damit eine definierte Durchflussrichtung des Mediums erzeugt wird, in einer besonderen Ausführungsform ebenso Segmente mit filigranen Strukturen, die beispielsweise durch Laserbearbeitung, eingebracht werden, mit entsprechenden Ausnehmungen bzw. Materialaussparungen angebracht sein. Eine erste Ebene solcher Segmente kann so gestaltet sein, dass immer zwei Bohrungen bzw. Durchflusslöcher miteinander verbunden sind, während in einer zweiten Ebene diese Ausnehmungen bzw. Materialaussparungen abgedeckt sind, damit ein oder mehrere Zu- und Abführbohrungen vorhanden sind die das Medium in das Lager (Großwälzlager, Drehverbindung Schwenktrieb, et cetera) einleiten und ausleiten.
Sofern nur eine Unterkühlung des Lagers (Großwälzlagers, der Drehverbindung, des Schwenktriebes, et cetera) vermieden werden soll, können anstatt des elektrothermischer Wandlers wie oben genannt auch konventionelle elektrische Heizelemente (Heizdrähte, Heizwendel, Heizspiralen, et cetera) eingesetzt werden. Entgegen dem vorbekannten Stand der Technik ist jedoch dann im Sine der Erfindung zweckmäßig, wenn diese Elemente in entsprechenden Ausnehmungen bzw. Materialaussparungen auf dem Umfang eines Lagerringes angebracht wird, oder aber auf mindestens einer Planfläche angebracht werden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Grundlage der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Beschreibungen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, sowie weiteren naheliegenden vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung, sowie anhand der Zeichnungen. Selbstverständlich ist auch die Kombination mehrerer der oben genannten erfindungsgemäßen Systeme möglich. Hierbei zeigen:
1 Stirnfläche eines geschnittenen Lagers bzw. mehrerer geschnittener Drehteile (Großwälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb).
2 Stirnfläche eines geschnittenen Lagers bzw. mehrerer geschnittener Drehteile (Großwälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb) mit in die Materialaussparung beispielhaft eingebrachte Elemente zum direkten Beheizen oder Kühlen.
3 Stirnfläche eines geschnittenen Lagers bzw. mehrerer geschnittener Drehteile (Großwälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb) mit anschließender Mantelkonstruktion und Befüllbohrungen
4 Stirnfläche eines geschnittenen Lagers bzw. mehrerer geschnittener Drehteile (Großwälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb) mit anschließender Mantelkonstruktion und Befüllbohrungen und mit in die Materialaussparung oder Laufbahn beispielhaft eingebrachte Elemente zum direkten Beheizen oder Kühlen.
5 Ansicht eines geschnittenen Lagers, z. B.: Innenring oder Außenring, mit axial angebrachten Materialaussparungen, im Verbund mit Lochplatten und Abschlussplatten eine strömungsfähige Gesamtkonstruktion ergebend.
6 Seitenansicht eines geschnittenen Lagers, z. B.: Innenring oder Außenring, mit axial angebrachten Materialaussparungen, im Verbund mit Lochplatten und Abschlussplatten eine strömungsfähige Gesamtkonstruktion ergebend und mit in die Materialaussparung beispielhaft eingebrachte Elemente zum direkten Beheizen oder Kühlen.
7 Seitenansicht eines geschnittenen Lagers, z. B.: Innenring oder Außenring, im Verbund mit Lochplatten und Abschlussplatten eine strömungsfähige Gesamtkonstruktion ergebend.
8 Seitenansicht eines geschnittenen Lagers, z. B.: Innenring oder Außenring, im Verbund mit Lochplatten und Abschlussplatten eine strömungsfähige Gesamtkonstruktion ergebend, mit in die Materialaussparung beispielhaft eingebrachte Elemente zum direkten Beheizen oder Kühlen.
In 1 gut sichtbar dargestellt ist die geschnittene Stirnfläche eines Ringsegmentes einer Drehverbindung, bestehend aus einem Außenring (3) und einem Innenring (1), dazwischen die Laufbahn für die Wälzkörper (2), beispielsweise für Kugeln mit oder ohne Wälzkörperkäfig. Gut sichtbar sind am Außenumfang des Innenrings (1) und des Außenrings (3) eingebrachte Materialaussparungen (5), hier als Einstiche oder umlaufende Nuten dargestellt. Durch diese Nuten/Materialaussparungen kann das Wärmeaustauschmedium Luft, Öl, Wasser oder ein schwer entzündliches Gasgemisch strömen. Dadurch wird aktive oder direkte Kühlung oder Beheizung der Gesamtanordnung, insbesondere der Ringe, erreicht je nachdem, ob das Wärmeaustauschmedium eine geringere oder höhere Temperatur besitzt als die Gesamtanordnung. Wird ein solches Wärmeaustauschmedium verwendet, so muss selbiges wasserdicht oder gasdicht oder zumindest strömungsdicht durch die strömungskanalartigen Materialaussparungen (5) geleitet werden. Dies ist gut dann möglich, wenn entsprechende Dichtungsvorrichtungen (9), insbesondere umlaufende und ganzheitlich abdichtende Dichtungen (9) verwendet werden. Ziel der Dichtung es es, das Austreten des Strömungsmediums aus den Strömungskanälen, beispielsweise den Materialaussparungen (5) zu vermeiden oder zumindest maßgeblich zu verhindern. Wenn auf die mantelförmigen Teile (8), her ausgeführt als zwei umlaufende Ringe (8) angebracht an Innenring (1) und Außenring (3) verzichtet wird, so ist ein gezieltes Durchströmen der Anordnung mit dem Wärmeaustauschmedium nicht mehr möglich. Dann begründen die Materialaussparungen (5) den indirekten Effekt der Wärmekonvektion, da diese Einstiche (5) in Verbindung mit der Umfangsflächen von Innenring (1) oder Außenring (3) eine kühlrippenähnliche Geometrie bilden. Ebenso wir die vorgenannten Materialaussparungen (5) können die Bohrungen (6) im Vollmaterial des Innenrings (1) und/oder des Außenrings (3) sowohl zur Durchleitung eines Wärmeaustauschmediums genutzt werden, als auch als Kühlbohrungen im Sinne der Förderung einer besseren Wärmekonvektion.
2 zeigt beispielhaft einige Stellen der Anordnung (Lager, Wälzlager, Drehverbindung, Schwenktrieb), an welchen Elemente (18) zum direkten Kühlen oder Beheizen der Anordnung angebracht werden können. Insbesondere an allen Stellen innerhalb der umlaufenden Materialaussparungen (5) können solche Elemente liegen, beispielsweise in den umlaufenden Einstichen des Innenrings (1) und/oder des Außenrings (3), oder aber auch im Inneren der Bohrungen (6). Natürlich können diese Elemente (18) auch auf Planflächen der Mantelteile (8) liegen, oder an geeigneten Flächen des Lagerspaltes zwischen den gegeneinander verdrehbaren Ringen (1) und (3). Bei erfindungsgemäßer Anbringung von umlaufenden Materialaussparungen (5) in die Gesamtanordnung entfällt die Notwendigkeit, untere und obere Lochscheiben (12) (13) als auch untere und obere Abschlussplatten (10) (11) verwenden zu müssen, die zur Vorgabe der Strömgungsvorzugsrichtung (16) des Wärmeaustauschmediums maßgeblich erforderlich sind.
Es ist auch denkbar, diese Elemente (18), die insbesondere Heizdrähte sein können, oder Peltier-Elemente oder andere elektrothermische Wandler, an den Flächen der die Drehverbindung begrenzenden Scheiben oder Platten (10) (11) (12) (13) anzubringen. In 3 und 4 ist perspektivisch gezeigt eine erfindungsgemäße Anordnung diese begrenzenden Scheiben oder Platten (10) (11) (12) (13), die dann insbesondere eingesetzt werden, wenn die Materialaussparungen als Strömungskanäle für eine durchströmendes Wärmeaustauschmedium dienen. Durch die Wahl der Geometrie des Strömungskanales, und durch die Anordnung der Materialaussparungen (4) (5) ist es möglich, dem Strömungsmedium eine Vorzugsströmungsrichtung (16) zu geben. Wenn die erfindungsgemäße Beheizung/Kühlung der Anordnung durch ein Wärmeaustauschmedium erfolgt ist es stets nötig, das Strömungsmedium im Inneren der Anordnung zu halten. An definierten Einlass- oder Auslass Befüllbohrungen (7) kann das Medium die Anordnung verlassen oder in die Anordnung, beispielsweise in den Innenring (1) oder den Außenring (3) eintreten.
In 3 und 4 gut zu erkennen sind im Gegensatz zu den umlaufenden Materialaussparungen (5) angebrachte axiale Materialaussparungen (4). Bei Verwendung solcher axialer Aussparungen (4), die beispielsweise durch fräsende Bearbeitung in der Herstellung eines solchen Rings hineingebracht werden können, ist es nötig, die Strömungsvorzugsrichtung (16) für das Wärmeaustauschmedium vorzugeben, indem strömungskanalartige Geometrien vorgegeben werden. Die Verbindung aus Grundkörper wie Innenring (1) oder Außenring (3) mit Lochscheiben (12) (13) und Abschlussplatten (10) (11) schafft eine geeignete strömungskanalartige Geometrie, wie in 3 bis 8 erkannt werden kann. Dabei sind erfindungsgemäß mehrere, beispielsweise kreisförmig umlaufende, Strömungskammern (14) (15) vorhanden, die ein Durchströmen des Wärmeaustauschmediums ermöglichen. In 5 und 6 gut zu erkennen ist, dass diese Strömungskammern insbesondere durch geeignete Ausnehmungen in den sogenannten Lochscheiben (12) (13) realisiert werden. Auf beiden Seiten der Ringe, also unterhalb des Innenrings (1) und Außenrings (3), als auch oberhalb des Innenrings (1) und Außenrings (3), sind erfindungsgemäß solche Strömungskammern vorhanden.
In 1 bis 8 sind erfindungsgemäße Beispiele zur Schaffung einer Gesamtanordnung (eines Lagers oder Wälzlagers oder einer Drehverbindung oder eines Schwenktriebs) mit integrierter Kühlung und/oder Heizung dargestellt. Es ist abschließend zu erwähnen, dass selbstverständlich jedes einzelne dieser Gesamtanordnungen separat mit weiterführender elektrischer Beschaltung verbunden sein kann. Es ist auch denkbar, dass mehrere Gesamtanordnungen an mit einer einzigen Gesamtanlage zur elektrischen Beschaltung sequentiell oder parallel verbunden sind. Es ist auch denkbar, dass mehrere solcher einzelnen Gesamtanordnungen parallel oder sequentiell mit mindestens einem Strömungsapparat verbunden werden, der für die Beschickung mit Wärmeaustauschmedium sorgt. Ein solcher Strömungsapparat kann ein Lüfter, Ventilator sein, oder eine Flüssigkeitspumpe oder Ölpumpe, oder ein anderer Medien- oder Fluidförderer zur strömenden Beschickung von Anlagenteilen mit einem Kühl- oder Heizmedium.
Zusätzlich zu Vorgenanntem ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, nebst gezeigten Beispielen, auch jegliche andere Geometrie umfasst, welche geeignet ist, einem Lager, (Groß-)wälzlager, einer Drehverbindung oder einem Schwenktrieb eine Durchströmung eines Wärmeaustauschmediums mit Vorzugsrichtung zu ermöglichen, wenn diese Durchströmung sowohl zur direkten Beheizung oder zur direkten Kühlung dienen kann.
Bezugszeichenliste

1: Erste verdrehbare Komponente (Drehkörper), z. B: Innenring (IR)
2: Kugel- oder Wälzlagerlaufbahn
3: Zweite verdrehbare Komponente (Drehkörper), z. B.: Außenring (AU)
4: Materialaussparungen, z. B.: axial
5: Materialaussparungen, z. B.: umlaufend
6: Bohrung
7: Befüllbohrung für Wärmeaustauschmedium
8: mantelförmiges/ummantelndes Teil
9: umlaufende Dichtung
10: Obere Abschlussplatte
11: Untere Abschlussplatte
12: Obere Lochscheibe
13: Untere Lochscheibe
14: Obere Strömungskammer
15: Untere Strömungskammer
16: Vorzugs-Strömungsrichtung des Wärmeaustauschmediums (Beispiel)
17: Geeignete Befestigung zur Fixierung der Gesamtanordnung, z. B.: Schraubverbindung
18: In Materialaussparungen eingebrachte oder in Bohrungen oder auf Flächen oder an der Laufbahn angebrachte Elemente zur aktiven Kühlung oder Beheizung der Gesamtanordnung, z. B.: Heizdrähte, elektrothermische Wandler und/oder Peltier-Elemente.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005058141 A1 [0004]
WO 2007/065412 A1 [0004]
DE 102008052287 A1 [0005]
DE 2021156 B2 [0006]
WO 99/35414 [0006]
DE 4234303 A1 [0006]
DE 102004015176 A1 [0006]

Claims

Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung, beinhaltend gegeneinander verdrehbare Komponenten (1) (3) und Vorrichtungen zur integrierten Beheizung oder Kühlung der Wälzkörperlaufbahnen (2) oder dieser gegeneinander verdrehbaren Komponenten (1) (3) gekennzeichnet dadurch, dass die jeweils heizende oder kühlende Wirkung durch direkten Wärmeeintrag in die Komponenten oder direkte Wärmeabfuhr aus den Komponenten (1) (2) (3) erfolgt und definiert steuerbar ist und durch Zusammenspiel von Kälte- oder Wärme erzeugenden Elementen (18) oder Funktionen oder Vorrichtungen gebildet wird und wobei die Umschaltung zwischen heizender Wirkung und kühlender Wirkung möglich ist.
Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung betreffend ein Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder eine Drehverbindung jeweils beinhaltend gegeneinander verdrehbare Komponenten (1) (3) und Vorrichtungen zur integrierten Beheizung oder Kühlung dieser Wälzkörperlaufbahnen (2) oder dieser gegeneinander verdrehbaren Komponenten (1) (3) gekennzeichnet dadurch, dass die jeweils heizende oder kühlende Wirkung durch direkten Wärmeeintrag in die Komponenten oder direkte Wärmeabfuhr aus den Komponenten (1) (2) (3) erfolgt und definiert steuerbar ist und durch Zusammenspiel von Kälte- oder Wärme erzeugenden Elementen (18) oder Funktionen oder Vorrichtungen gebildet wird und wobei die Umschaltung zwischen heizender Wirkung und kühlender Wirkung möglich ist.
Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung betreffend ein Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder eine Drehverbindung nach Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Umschaltung zwischen heizender Wirkung und kühlender Wirkung bewirkt wird durch elektrische Signale oder durch Invertierung elektrischer Ansteuerungen von elektrischen Baugruppen, insbesondere ausschließlich durch ein elektrisches Signal oder durch Invertierung der elektrischen Ansteuerung einer elektrischen Baugruppe
Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung betreffend ein Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder eine Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Umschaltung zwischen heizender Wirkung und kühlender Wirkung bewirkt wird durch Temperaturänderung, insbesondere durch kontinuierliche oder rapide Temperaturerhöhung oder Temperaturverringerung des durch diese Anordnung fließenden oder strömenden Wärmeaustauschmediums.
Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung betreffend ein Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder eine Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die jeweils heizende oder kühlende Wirkung in der Wirkung verstärkt werden kann durch zusätzliche indirekt heizende oder indirekt kühlende Elemente (18) welche angebracht sind auf Flächen der Gesamtanordnung oder der gegeneinander verdrehbaren Komponenten (1) (3), oder in Materialaussparungen (4) (5), oder im Lagerspalt oder in Bohrungen (6).
Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung betreffend ein Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder eine Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Maßnahmen zur integrierten Beheizung oder Kühlung durch wenigstens eine in das Lager, das Großwälzlager, den Schwenktrieb oder die Drehverbindung eingebrachte Materialaussparung (4) (5) bewirkt wird, durch die ein Wärmeaustauschmedium strömt, insbesondere fließt.
Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens eine Materialaussparung (4) (5) axial oder umlaufend in mindestens einer der gegeneinander verdrehbaren Komponenten (1) (3) vorhanden ist, die einen Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums in mindestens einer Vorzugsrichtung ermöglicht.
Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass auf dem Umfang wenigstens einer der gegeneinander verdrehbaren Komponenten (1) (3) oder auf Planflächen der Gesamtanordnung vorhandene Materialaussparungen (4) (5) ringförmig, ringkammerförmig oder ringsegmentförmig oder ringnutförmig oder einstichförmig, oder mäanderförmig ausgeführt sind oder eine daraus kombinierte Geometrie besitzen oder in mehreren Ebenen, insbesondere konzentrischen Ebenen unterschiedlichen Durchmessers, vorhanden sind.
Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass das Lager, das Großwälzlager, den Schwenktrieb oder die Drehverbindung mindestens ein Peltierelement (18) oder wenigstens ein Heizelement (18) oder wenigstens einen elektrothermischer Wandler (18) oder mindestens eine Kombination dieser Elemente, integriert in die Gesamtanordnung, besitzt.
Verfahren zur integrierten Beheizung oder Kühlung betreffend ein Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder eine Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass der Durchfluss eines Wärmeaustauschmediums in mehreren konzentrischen Ebenen um die Drehachse der Gesamtanordnung geschehen kann, wobei mindestens ein definierter Einlassbereich zur Einströmung des Wärmeaustauschmediums in die Gesamtanordnung vorhanden ist, insbesondere gestaltet als mindestens eine in die Mantelfläche eingebrachte Befüllbohrung (7), und wobei ebenso mindestens ein Auslassbereich zur Ausströmung des Wärmeaustauschmediums aus der Gesamtanordnung vorhanden ist, insbesondere gestaltet als mindestens eine in die Mantelfläche eingebrachte Auslassbohrung (7).
Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass in der Gesamtanordnung Materialaussparungen (4) (5), insbesondere auch Bohrungen (6) oder Durchflusslöcher, vorhanden sind wobei Bohrungen (6) oder Durchflusslöcher oder Strömungskammern (14) (15) miteinander verbunden sein können, während in einer anderen Ebene, insbesondere einer anderen konzentrischen Ebene, diese Materialaussparungen (4) (5) durch ummantelnde Teile, insbesondere mantelförmige Teile (8), abgedeckt sein können.
Anordnung als Lager, Großwälzlager, Schwenktrieb oder Drehverbindung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Gesamtanordnung aus verdrehbarer Komponente, Lochscheiben (12) (13) und Abschlussplatten (10) (11) miteinander wasserdicht verbunden ist, insbesondere geeignet miteinander verschraubt (17) ist, wobei Dichtungselemente (9), insbesondere umlaufende Dichtungselemente (9), eingesetzt werden können um das Wärmeaustauschmedium strömungsdicht, insbesondere wasserdicht, während des Durchströmens in der Gesamtanordnung zu halten.