DE3335428C2

DE3335428C2 - Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE3335428C2
Application number: DE3335428A
Authority: DE
Inventors: Chigira Maebashi Gunma Junji
Original assignee: Kanto Seiki Co Ltd
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1986-11-06
Also published as: GB8326040D0; GB2131145B; DE3335428A1; US4526012A; GB2131145A

Abstract

Zu einer Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Flüssigkeit gehören ein einen Kompressor, einen Kondensator und einen Verdampfer aufweisender Kühlkreis, ein eine Flüssigkeit, deren Temperatur geregelt werden soll, sowie den Verdampfer enthaltender Flüssigkeitsbehälter, sowie Ein- und Auslaßleitungen für die Zuleitung bzw. den Austrag der Flüssigkeit in den bzw. aus dem Behälter. Gemäß der Erfindung gehören zu einer solchen Vorrichtung ferner eine den Auslaß des Kompressors mit dem Einlaß desselben verbindende Kurzschlußleitung, ein Ventil zum Freigeben und Sperren der Kurzschlußleitung und ein Temperaturregler zum Steuern des Ventils in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit. Die Kurzschlußleitung wird geschlossen, wenn die Temperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt, und geöffnet, wenn die Temperatur unter einen vorbestimmten Wert absinkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Laserund Halbleitertechnik in den letzten Jahren wurde eine immer genauere Bearbeitung von im Rahmen derartiger Techniken gebrauchten Teilen notwendig. Die zu-

V5 lässigen Bearbeitungsfehler liegen inzwischen im Bereich von Tausendstel Millimetern und noch darunter. Bei einer solchen »Superpräzisionsbearbeitung« kommt es auch wesentlich auf eine genaue Regelung der Temperatur von im Rahmen der Bearbeitung verwendeten Wärmeträgermedien mit einer Genauigkeit von ±0.1 bis ca. 0,001°C an. Der hier verwendete Ausdruck »WärmeträgenTiediurn« bezeichnet u. a. Schmieröl für statische Drucklager, Schneidöle und Öl-Wassergemische in einem Rieselsystem.

In einer bekannten Verfahrensanordnung zum Regeln oder Steuern der Temperatur eines solchen Wärmeträgermediums in einem Tolerambereich von ca. ±0,1 bis ca. 0,001 C sind mehrere Wärmetauscher in einer Reihe hintereinander angeordnet, so daß sie wahlweise einzeln oder nacheinander in Betrieb gesetzt oder stillgesetzt werden können. Dadurch wird die Kurve der Temperaturschwankungen des Wärmeträgermediums beim Durchgang desselben durch die Folge der Wärmetauscher nach und nach geglättet Durch Vermehrung der Anzahl der Wärmetauscher erhält die Vorrichtung insgesamt jedoch ein sehr großes Volumen. Außerdem ist eine mehrstufige Wärmetauscheranordnung den Ein' flüssen von Luftströmungen, Strahlungswärme u. dgl. weitaus stärker unterworfen als ein einstufiger Wärmetauscher.

Eine andere bekannte Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Flüssigkeit ist in F i g. 1 der beiliegenden Zeichnung dargestellt.

In dieser Figur erkennt man einen Behälter 10 für eine Flüssigkeit 20, deren Temperatur geregelt werden soll. Die Flüssigkeit 20 fließt dem Behälter über ein Einlaßrohr 30 zu und wird unter Verwendung einer Pumpe 41 über eine Auslaßleitung 40 daraus entnommen. Zu de^r Temperatur-Regelvorrichtung gehört ein Kühlkreis mit einem Kompressor 51, einem Kondensator 52, einer Kapillare 53, einem Verdampfer 54 und, sofern notwendig, einem Speicher 55. Der Verdampfer 54 ist innerhalb der Flüssigkeit 20 angeordnet. Die Temperatur der Flüssigkeit 20 wird durch einen mit einem Temperaturregler 60 verbundenen Thermistor 61 überwacht. Der Temperaturregler 60 steuert das Ein- und Ausschalten des Kompressors 51 in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten Flüssigkeitstemperatur. Übersteigt die Temperatur der Flüssigkeit einen vorbestimmten Wert, so schaltet der Regler den Kompressor ein. Liegt die Temperatur dann unter einem vorbestimmten Wert, so schaltet der Regler den Kompressor aus. In dieser Weise wird die Temperatur des Flüssigkeit durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Kompressors geregelt. Diese bekannte Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Flüssigkeit weist jedoch verschiedene Nachteile auf.

So treten Temperaturschwankungen von beträchtlicher Amplitude auf, welche darüber hinaus eine starke

Komponente einer höheren Frequenz aufweisen. Eine derartige Wellenform ist in F ι g. 2 der Zeichnung dargestellt. Sie zeigt den auf die Zeit bezogenen Temperaturverlauf in der Flüssigkeit nahe dem Auslaßrohr 40 des Behälters 10 oder an einer Stelle innerhalb des Auslaßrohrs 40.

Die große Amplitude der wellenförmigen Temperaturschwankungen in der Flüssigkeit ergibt sich aus den relativ langen Ein- und Ausschaltzeiten des Kompressors 51. Es wäre zwar auch möglich, die Ein- und Ausschaltzeiten des Kompressors zu verkürzen, wodurch sich jedoch auch die Betriebslebensdauer des Kompressors erheblich verkürzen würde.

Eine Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist aus der DE-AS 19 60 975 bekannt. Bei dieser Kühleinrichtung erfolgt die Regelung der Kühlleistung mittels eines Magnetventils, welches in der den Kompressor überbrückenden Kurzschiußleitung angeordnet ist und beispielsweise durch einen Thermostaten gesteuert wird. Diese Regelung der Kühlleistung und damit die Temperatur der zu kühlenden F-'liKsigkeit bringt gegenüber einem kurzzeitigen Ein- und Ausschalten des Kompressors V«· rteile mit sich, da die dadurch hervorgerufenen beträchtlichen Temperaturschwankungsamplituden verringert werden können.

Aus der DE-AS 11 34 396 ist eine Kühlvorrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere für Milch bekannt, bei der Einrichtungen zum Bewegen der zu kühlenden Flüssigkeit vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß die Temperatur, auf die die Flüssigkeit abgekühlt werden soll, sehr genau geregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Flüssigkeit in einem Behälter befindet und der spulenförmige Verdampfer in die Flüssigkeit eingetaucht ist, daß der Behälter mit einem weiteren Behälter verbunden ist. und daß zwischen dem Behälter und dem weiteren B» näher eine Diffusionseinrichtung für den Übertritt der Flüssigkeit von dem Behälter unter Diffusion in den weiteren Behälter angeordnet ist. wobei eine den direkten Strömungsweg der Flüssigkeit sperrende Prallwand nahe der Diffusionseinrichtung in einem der beiden Behälter angeordnet ist.

Bei der t;findungsgemäßen Kühle.nrichtung wird die auf dip Solltemperatur abgekühlte Flüssigkeit nicht unmittelbar dem Behälter entnommen, in dem der spulenförmige Verdampfer angeordnet ist. Vielmehr gelangt die Flüssigkeit von diesem Behälter über eine Diffusionseinrichtung in einen weiteren Behälter, dem die abgekühlte Flüssigkeit zu entnehmen ist. Die Diffusionseinrichtung bewirkt eine gleichmäßige Vermischung der in dem Behälter abgekühlten Flüssigkeit, mit dem Flüssigkeitsanteil, der sich in dem weiteren Behälter befindet. Durch die Prallwand wird erreicht, daß stromaufwärts oder stromabwärts im Nahbereich der Diffusionseinrichtung eine Vergleichmäßigung der Flüssigkeitslcmperatur erfolgt. In vorteilhafter Weise werden noch vorhandene Temperaturschwankungen größerer Amplituden, wie sie noch im Behälter, in dem sich der Verdampfer befindet, vorliegen, ausgeglichen und zum anderen wird auch die hochfrequente Temperaturschwankungskomponente entfernt. Infolgedessen kann dem weiteren Behälter eine abgekühlte Flüssigkeit entnommen werden, welche eine äußerst konstante Temperatur aufweist.

In vorteilhafter Weise läßt sich mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung die Temperatur einer Flüssigkeit mit einer Genauigkeit im Bereich von +0,TC erreichen, obgleich nur ein einstufiger Wärmetauscher vorgesehen äst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Ausführung einer Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Flüssigkeit,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der wellenförmigen Temperaturschwankungen bei der bekannten Vorrichtung,

F i g. 3 eine Vorrichtung in einer Ausfuhrungsform der Erfindung,

F i g. 4 eine Vorderansicht eines Teils der Vorrichtung mit einem Kondensator und zugeordneten Einrichtungen.

F i g. 5 eine Seitenansicht der Anordnung nach F i g. 4.

F i g. 6 eine Ansicht im Schnitt eniii.ng der Linie VI-VI in F i g. 3,

F i g. 7 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 711-VII in Fig. 3,

F i g. 8 eine grafische Darstellung der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftretenden, wellenförmigen Temperaturschwankungen,

F i g. 9 eine zweite Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 10 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 11-11 in F i g. 9.

In F i g. 1 bis 8 der Zeichnung sind einander entsprechende Teile durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In F i g. 3 erkennt man einen Behälter 10 für eine Flüssigkeit 20, deren Temperatur zu regeln ist. Die Flüssigkeit 20 fließt dem Behälter 10 über ein Einlaßrohr 31 zu und wird über ein mit einer Pumpe 41 ver<-ehenps Auslaßrohr 40 daraus abgeführt. Ein Kompressor 51. ein Kondensator 52, eine Kapillare 53 , ein Verdampfer 54 unr' ein Speicher 55 sind in Reihe miteinander verbunden und bilden einen Kühlkreis. Ein mittels des Kompressors 51 komprimiertes Kältemittel, z. B. »Furon«. gelangt über ein Auslaßrohr des Kompressors zum Kondensator 52. Das im Kondensator 52 verflüssigte Kältemittel fließt dem Verdampfer 54 zu. Dabei durchfließt es die Kapillare 53. in welcher die Strömung gedrosselt wird, so daß sich an der Austrittsseite ein verringerter Druck ergibt. Durch die anschließende Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer 54 wird der Flüssigkeit 20 Wärme entzogen und diese somit abgekühlt. Aus dem Verdampfer 54 gelangt das verdamptte Kältemittel dann über einen aus Sicherheitsgründen vorgesehenen Speicher 55 und eine Einlaßleitung 91 zurück in den Kompressor 51.

Zu der in F i g. 3 gezeigten Vorrichtung gehört ferner eine das Auslaßrohr 90 des Kompressors 51 mit dem Einlaßrohr 91 desselben verbindende Kurzschlußleitung 92. Zum öffi.in und Schließen der Kurzschlußleitung 92 dient ein von einem Temperaturregler 60 gesteuertes Magnetventil 80. Zum Überwachen d^r Temperatur der Flüssigkeit 20 ist ein Thermistor 61 im Behälter 10 angeordnet und mit dem Temperaturregler 60 verbunden. In Abhängigkeit von durch den Thermistor 61 gelieferten, die Temperatur der Flüssigkeit 20 angebenden Signalen steuert der Temperaturregler das Magnetventil 80, so daß dieses bei Unterschreitung einer

vorbestimmten Temperatur öffnet und bei Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur schließt. Der Kompressor 51 arbeitet während des Betriebs der Vorrichtung ohne Unterbrechung.

Innerhalb der Behälter 10 verzweigt sich das Einlaßrohr 31 in zwei Einlaßrohre 32 und 34. Die Austrittsenden 33 bzw. 35 der beiden Einlaßrohre 32,34 sind nahe dem Drehmittelpunkt einer von einem Motor 70 angetriebenen rotierenden Scheibe 71 angeordnet. Nahe der Mündung des Auslaßrohrs 40 ist eine Prallwand 11 im Behälter 10 angeordnet. Diese ist im wesentlichen L-förrnig und dient dazu, die Strömung der Flüssigkeit 20 umzulenken. Eine die Mündung des Auslaßrohrs 40 umgebende Wandung 12 bildet innerhalb des Behälters 10 eine Beruhigungskammer 14. Die Wandung 12 ist von is kleinen Öffnungen 13 durchsetzt, durch welche hindurch die Flüssigkeit 20 in die Beruhigungskammer 14 einströmt und dabei diffundiert wird. Da die Prallwand 11 an der Zuströmseite der Öffnungen 13 nngporHnpt Ut hat die aus dem Behälter 10 in die Beruhigungskammer 14 fließende Flüssigkeit eine gleichmäßige Temperatur.

F i g. 4 und 5 zeigen eine Anordnung zum Kühlen des die Kurzschlußleitung 92 durchströmenden, relativ heißen gasförmigen Kältemittels. Zu dieser gehört ein von einem Motor 52/n angetriebenes Gebläserad f. F i g. 6 und 7 zeigen Schnittansichten der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Die zunächst relativ warme Flüssigkeit 20 fließt dem Behälter 10 über das Einlaßrohr 31 zu und wird nach Einstellung der gewünschten Temperatur mittels der Pumpe 41 über das Auslaßrohr 40 daraus abgeführt.

Dabei befindet sich der Kompressor 51 in Betrieb, und die Temperatur der Flüssigkeit 20 wird durch den Thermistor 61 überwacht. Liegt die Temperatur dabei über einem vorbestimmten Wert, so steuert der Temperaturregler 60 das Magnetventil 80 an, um die Kurzschlußleitung 92 zu schließen. Dadurch strömt das vom Kompressor 51 komprimierte Kältemittel nun in den Kondensator 52 und wird in diesem verflüssigt. Das verflüssigte Kältemittel fließt dann in den Verdampfer 54. um die im Behälter 10 vorhandene Flüssigkeit in der vorstehend beschriebenen Weise zu kühlen. Nach dem Durchgang durch den Verdampfer strömt das Kältemittel dann über den Speicher 55 zurück zum Kompressor 51.

Ein Absinken der Temperatur der Flüssigkeit unter einen vorbestimmten Wert bringt den Thermistor 61 zum Ansprechen, worauf der Temperaturregler 61 das Magnetventil 8* öffnend betätigt. Dadurch strömt das Kältemittel nun nicht mehr vom Auslaßrohr 90 des Kompressors 51 in den Kondensator 52, sondern kehrt über das Magnetventil 80 und den Speicher zum Kompressor 51 zurück. Der Verdampfer 54 wird somit nicht vom Kältemitte! durchströmt, so daß keine weitere Kühlung der Flüssigkeit 20 stattfindet.

Steigt darauf die Temperatur der Flüssigkeit wieder über den vorbestimmten Wert an, so wird das Magnetventil 80 durch den Temperaturregler 60 schließend betätigt. Dadurch durchströmt das Kältemittel nun wieder den Verdampfer 54, um die Flüssigkeit 20 zu kühlen. Durch Wiederholung der beschriebenen Vorgänge ist eine genaue Steuerung der Flüssigkeitstemperatur erzielbar.

Gegenüber bekannten Vorrichtungen weist die vorstehend beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung zahlreiche Vorteile auf.

In der beschriebenen Vorrichtung arbeitet der Kompressor 51 während des Betriebs ohne Unterbrechung. Seine Betriebslebensdauer wird daher nicht durch häufiges Ein- und Ausschalten verkürzt, wie dies in der bekannten Vorrichtung der Fall ist. Das öffnen und Schließen des Magnetventils 80 kann sehr häufig und sehr schnell erfolgen, so daß sich die Durchströmung des Verdampfers 54 vom Kältemittel innerhalb von sehr kurzen Zeitspannen in der Größenordnung von ca. 2 min steuern läßt. Die Amplitude der wellenförmigen Temperaturänderungen läßt sich daher beträchtlich kleiner halten als bei intermittierendem Betrieb des Kompressors.

Da sich ferner das Einlaßrohr 31 in zwei Teile 32 und 34 verzweigt, wird eine Durchmischung der dem Behälter 10 zufließenden Flüssigkeit 20 begünstigt. Die beiden Zweige 32 und 34 des Einlaßrohrs 31 i.rUnden darüber hinaus nahe der rotierenden Scheibe 71 aus, welch** die Durchrnischun⁰ der Flüssigkeit 20 weiterhin for dert. Dadurch enthalten die wellenförmigen Tempeniturschwankungen im wesentlichen keine hochfrequente Komponente mehr. Die Durchmischung der dem Auslaßrohr 40 zufließenden Flüssigkeit wird ferner durch die Prallwand 11 gefördert, da diese so angeordnet ist, daß sie den geradlinigen Strömungsweg der Flüssigkeit 20 sperrt. Wie man in Fig. 6 und 7 erkennt, hat die Prallwand 11 einen an der Zuströmseite angeordneten Sehe· kel 11', welcher den Zustrom von noch nicht ausreichend durchmischter Flüssigkeit zum Auslaßrohr 40 sperrt. Die mit den kleinen öffnungen 13 versehene Beruhigungskammer 14 hat eine besondere Wirkung: Nach dem Durchtritt durch die relativ kleinen öffnungen 13 wird die Flüssigkeit 20 in der sich plötzlich erweiternden Kammer 14 diffundiert. Dadurch wird eine gegebenenfalls noch im wellenförmigen Temperaturverlauf vorhandene hochfrequente Komponente vollständig unterdrückt. Eine solche, von hochfrequenten Komponenten freie Wellenform ist in F i g. 8 dargestellt.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verzweigt sich das Einlaßrohr 31 in zwei Teile. Dabei ist jedoch auch eine Verzweigung in einer größere Anzahl von Leitungen möglich. Die Anzahl sowie die Anordnung der kleinen öffnungen 13 in der die Beruhigurigskammer 14 begrenzenden Wandung 12 können willkürlich gewählt werden.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, läßt sich die Amplitude des wellenförmigen Temperaturverlaufs mittels der ersten Ausführungsform der Erfindung bei vollständiger Unterdrückung der hochfrequenten Komponente beträchtlich verringern. Dies ermöglicht eine äußerst genaue Regelung der Temperatur mit beträchtlich verringerten Schwankungen ohne Verkürzung der Betriebslebensdauer des in der Vorrichtung verwendeten Kompressors.

Fig. 9 und 10 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform weist einen ersten und einen zweiten Flüssigkeitsbehälter 110 bzw. 120 auf, welche über ein entlang seinem Umfang von zahlreichen kleinen Öffnungen durchsetztes Rohr 130 miteinander Strömungsverbunden sind. Ein Wärmeträgermedium, d. h. eine Flüssigkeit 101, deren Temperatur zu regeln ist, fließt dem ersten Behälter 110 über ein Einlaßrohr 111 zu und verläßt den zweiten Behälter 120 über ein Auslaßrohr 121. Im ersten Behälter 110 sind ein von einem Motor 113 angetriebener Rührflügel 112 und ein eine niedrige Wärmekapazität aufweisender Temperaturfühler, z.B. ein Thermistor 114 angeordnet. Der zweite Behälter 120 enthält eine oberhalb des perforier-

ten Rohrs 130 .ingeordnete Prallwand 131. Das Auslaßrohr 121 befindet sich knapp oberhalb der Prallwand 131 und ist an einer Pumpe 122 angeschlossen. Der erste Behälter 110 ist so klein wie nur möglich. Der zweite Behälter 120 ist so ausgebildet, daß das Verhältnis zwischen dem Volumen des darin enthaltenen Wärmeträgermediums und dem des von der Pumpe umgewälzten Wärmeträgermediums so groß wie möglich ist.

W;S eingangs ausgeführt, wird bei einer herkömmlichen 7emperatur-RegeIvorrichtuiig der Kompressor periodisch ein- und ausgeschaltet. Um die wellenförmigen Temperaturschwankungen möglichst klein zu halten und dadurch eine möglichst genaue Einhaltung der gewünschten Temperatur zu erzielen müßte der Kompressor in möglichst kurzen Zeitabständen ein- und ausgeschaltet werden. Wird der Kompressor jedoch wiederholt innerhalb von Zeitabständen von 20 min oder weniger ein- und ausgeschaltet, so wird seine Betriebslebensdauer dadurch beträchtlich verkürzt. Dieser Nachteil läßt sich dadurch vermeiden, daß man anstelle des Ein- und Ausschaltens des Kompressors den zum Verdampfer führenden Kältemittel-Strömungskreis intermittierend freigibt und sperrt.

Zu der in F i g. 9 gezeigten zweiten Ausführungsform gehört ein Kühlkreis 140, welcher im wesentlichen aus einem Kompressor 141. einem Kondensator 147, einem Reservoir 146, einem Verdampfer 143 und einem Speicher 142 besteht. Der Verdampfer 143 ist in dem im ersten Behälter UO enthaltenen Wärmeträgermedium 101 angeordnet. In den Strömungsweg des Kältemittels vom Reservoir 146 zum Verdampfer 143 sind ein Magnc ventil 145 und eine Kapillare 144 eingesetzt. Das Magnetventil 145 ist mit einem eine kurze Ansprechzeit aufweisenden Temperaturregler 150 verbunden, an welchem wiederum der vorstehend erwähnte Wärmefühler 114 angeschlossen ist. In Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Temperaturfühlers 114 steuert der Temperaturregler 150 das Öffnen und Schließen des Magnetventils 145.

Zwischen dem Kondensator 147 und dem Speicher 142 ist eine Kurzschlußleitung für den Kompressor 141 vorgesehen. In die Kurzschlußleitung ist ein Volumen-Regulierventil 148 eingesetzt. Sinkt der Verdampfungsdruck unter einen vorbestimmten Wert ab, so wird die zum Kompressor 141 führende Kältemittel-Rückleitung überbrückt.

Die beschriebene zweite Ausführungsform arbeitet folgendermaßen: Das Wärmeträgermedium 101, z. B. ein Schmieröl für statische Drucklager, ein Schneidöl für eine spanende Bearbeitung, Wasser oder Öl für ein Rieselsystem, fließt dem ersten Behälter 110 über das Einlaßrohr 111 zu und wird dann über das perforierte Rohr 130. den zweiten Behälter 120 und das Auslaßrohr 121 seinem Verwendungsort, z. B. einer Werkzeugmaschine, zugeführt. In dieser Weise wird das Wärmträgermedium 101 unter dem Antrieb der Pumpe 122 und unter Steuerung durch den Temperaturregler in Umlauf gehalten.

Während dieser Umwälzung des Wärmeträgermediums wird der rotierende Rührflügel 112 durch den Motor 113 angetrieben. Der Kompressor 141 ist ebenfalls in Betrieb, wodurch das Kältemittel im Kondensator 147 verflüssigt und im Reservoir 146 gespeichert wird. Die Temperatur des Wärmeträgermediums 101 wird fortlaufend durch den Temperaturfühler 114 überwacht.

Übersteigt die Temperatur einen am Temperaturregler 150 eingestellten Wert, so wird das Magnetventil 145

geöffnet, so daß das im Reservoir 146 enthaltene Kältemittel durch die Kapillare 144 hindurch in den Verdampfer 143 strömen kann. Im Verdampfer verdampft das flüssige Kältemittel unter Aufnahme von latenter Wärme, wodurch das im ersten Behälter enthaltene Wärmeträgermedium 101 gekühlt wird. Sinkt dabei die Temperatur des Wärmeträgermediums 101 um ein durch die Dauer eines Arbeitsspiels bestimmtes Maß unter den eingestellten Wert ab, so spricht der Tempe-

!0 raturfühler 114 an und der Temperaturregler 150 bewirkt das Schließen des Ventils 145, so daß die Kühlung des Wärmeträgermediums 101 aufhört. Dabei wird der Kompressor 141 nicht abgeschaltet sondern arbeitet weiter. In der Folge verringern sich der Druck und die Temperatur im Verdampfer 143 nach und nach. Sobald der Druck dabei einen am Volumen-Regelventil 148 eingestellten Wert unterschreitet, öffnet das Ventil die Kurzschlußleitung zwischen dem Auslaß und dem Einlaß des Kompressors 141. Dadurch sinkt der Druck im Verdampfer 143 niemals unter den am Volumen-Regelventil 148 eingestellten Wert ab, und die Temperatur verringert sich nicht bis un.er die diesem Druck entsprechende Verdampfungstemperatur. Dadurch ist einer Kondensation oder Taubildung an der Kältemittel-Rückleitung vorgebeugt.

Durch Wiederholung der beschriebenen Vorgange läßt sich die Temperatur des Wärmeträgermediums 101 genau regeln.

Die vorstehend beschriebene zweite Ausführungsform der Erfindung weist gegenüber bekannten Ausführungen ebenfalls zahlreiche Vorteile auf.

In der beschriebenen Ausführungsform sind der Verdampfer 143 und der eine niedrige Wärmekapazität aufweisende Temperaturfühler innerhalb des ersten Behälters 110 untergebracht, in welchem das Wärmeträgermedium 101 durch den Rührflügel 112 in Bewegung gehalten wird. Dank dieser Anordnung läßt sich die Ansprechzeit des Temperaturfühlers nahezu auf Null verkürzen. Daraus, das der erste Behälter 110 ein sehr kleines Volumen hat und der Temperaturregler 150 so ausgebildet ist, daß er in kurzen Zeitabständen in Tätigkeit treten kann, ergibt sich der Vorteil, daß sich die Amplitude sowie die Frequenz der wellenförmigen Temperaturschwankungen im ersten Behälter HO auf ein Mindestmaß begrenzen lassen.

Da die Ansprechzeit nahezu gleich Null ist und die wellenförmigen Temperaturschwankungen daher eine niedrige Amplitude und Frequenz aufweisen, läßt sich der wellenförmige Temperaturverlauf im ersten Behälter ohne Schwierigkeit glätten.

Die kleinen öffnungen des perforierten Rohrs 130 gewährleisten den Durchtritt des Wärmeträgermediums 101 vom ersten in den zweiten Behälter 110 bzw. 120 mit hoher Geschwindigkeit, so daß im zweiten Behälter eine gründliche Durchmischung des Wärmeträgermediums stattfindet. Dabei verhindert die Prallwand 131, daß das Wärmeträgermedium vom perforierten Rohr 130 aus direkt zum Auslaßrohr 121 strömt. Wie vorstehend bereits angedeutet, ist der zweite Behälter 120 so ausgebildet, daß das Verhältnis zwischen seinem Volumen und dem Strömungsvolumen des Wärmeträgermediums so groß wie möglich ist. Dadurch wird die Amplitude der wellenförmigen Temperaturschwankunge;i im zweiten Behälter weiter verringert und ist daher im zweiten Behälter weitaus kleiner als im ersten Behälter. Diese Wirkung soll nachstehend unter Verwendung von konkreten numerischen Werten näher erläutert werden.

OO OO Ί-Ζ.Ο

9

Die Zeitkonstante T₂ des zweiten Behälters ist:

w ρ ■ Cp + K

V(\) das Volumen des Wärmeträgermediums im zweiten Behälter 120,

w (l/min) das Strömungsvolumen des von der Pumpe 122 umgewälzten Wärmeträgermediums, K (Kcal/min ⁰C) die von ihm abgegebene Menge an Strahlungswärme und

pCp(Kcal/°C) die Wärmekapazität pro Volumeneinheit des Wärmeträgermediums bedeutet.

Sofern die Außenwand des zweiten Behälters 120 ausreichend wärmeisoliert ist, ist K im wesentlichen gleich Null. Daraus ergibt sich

2U

T₂ » V/w

Da sich die Ansprechzeit mit der vorstehend beschriebenen Anordnung, wie bereits angedeutet, nahezu bis auf Null verringern läßt, ist die Amplitude a\ der wellenförmigen Temperaturschwankungen des Wärmeträeermediums im ersten Behälter 110 nahezu gleich der Hälfte des Betätigungsintervalls Δ (⁰C) des Temperaturreglers. Für die Amplitude a₂ des wellenförmigen Temperaturverlaufs des von der Pumpe 122 ausgetragenen Wärmeträgermediums ergibt sich dabei:

und

+or-Ti

ω = 2 π/pe (rad/mm), worin

40

ω die Winkelfrequenz und pe die Ein-Ausschaltperiode ist.

Ist beispielsweise Λ=0,2 (⁰C), V= 72 (1), w= 15 (l/min) und pe=2 (min), so ergibt sich a\ =02/2 = 0,1 (⁰C), T₂ = 72/15=4,8 (min) und ώ>=2 „τ/2 = 3,14 (rad/min) und damit

= 0,0066(⁰C).

Vl + 3,14- ■ 4,8^J

₅₀

In diesem als Beispiel gewählten Falle beträgt also die Genauigkeit (Schwankungsbreite) der Temperaturregelung für das einer Werkzeugmaschine zugeführte Wärmeträgermedium 101 ±0.0066" C.

Aus vorstehender Beschreibung ist klar zu erkennen, daß die Erfindung eine äußerst genaue Regelung der Temperatur eines Wärmeträgermediums unter Verwendung nur eines einstufigen Wärmetauschers und unter Begrenzung der Schwankungsbreite der Temperatür im Bereich von ± 0,1 ° C ermöglicht.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühleinrichtung für Flüssigkeiten, mit einem Kühlmittelkreislauf, der einen Kompressor, einen de.-π Kompressor nachgeschalteien Kondensator, einen dem Kondensator nachgeschalteten, ausgangsseitig mit der Niederdruckseite des Kompressors verbundenen, spulenförmigen Verdampfer aufweist sowie eine dem Kompressor zugeordnete Kurzschlußleitung, in der eine unter Steuerung einer Temperaturregeleinrichtung für die Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit öffnend und schließend betätigbare Ventileinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Flüssigkeit (20; 101) in einem Behälter (10; 110) befindet und der spulenförmige Verdampfer (54; 143) in die Flüssigkeit (20; 101) eingetaucht ist, das der Behälter (10; 110) mit einem weiteren Behälter (14; 101) verbunden ist, dem die gekühlte Flüssigkeit entnehmbar ist, und <j_ß zwischen dem Behälter (10; 110) und dem weiteren Behälter (14; 120) eine Diffusionseinrichtung (13; 130) für den Obertritt der Flüssigkeit (20; 101) von dem Behälter (10; HO) unter Diffusion in den weiteren Behälter (14; 120) angeordnet ist, wobei eine den direkten Strömungsweg der Flüssigkeit (10) sperrende Prallwand (11) nahe der Diffusionseinrichtung (13) in einem der beiden Behälter (10; 110; 14; 120) angeordnet ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionseinrichtung eine zwischen C¹Tn Behälter (10) und dem weiteren Behälter (14) angeordnete von Öffnungen (13) für den Durchtritt von Flüssigkeit (i0) durchsetzte Trennwand (12) ist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionseinrichtung wenigstens ein an seinem Umfang von kleinen Öffnungen (130) durchsetztes Rohr ist.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine den direkten Strömungsweg der Flüssigkeit (101) sperrende Prallwand (131) nahe der Diffusionseinrichtung (130) in dem weiteren Behälter (120) angeordnet ist.

5 Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Behälter (14) in dem Behälter(lO)angeordnet ist.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des spulenförmigen Verdampfers (54; 143) eine drehantreibbare Einrichtung (71; 112) zur Bewegung der Flüssigkeit (20; 101) angeordnet ist.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einlaßleitung (31) für die Flüssigkeit (10) in mindestens zwei Leitungszweige (32; 34) verzweigt, deren Enden (33, 35) nahe dem Drehmittelpunkt der Einrichtung (71) zur Bewegung der Flüssigkeit (20) und auf beiden Seiten derselben angeordnet sind.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bewegen der Flüssigkeit (20) eine rotierende Scheibe (71) aufweist, deren Drehachse in Richtung dei Achse des spulenförmigen Verdampfers (94) verläuft.

9. Kühleinrichtung mit einem in der Flüssigkeit angeordneten und mit der Temperaturregeleinrichtung verbundenen Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der

Temperaturfühler (61) außerhalb von und nahe dem spulenförmigen Verdampfer (54) und auf der Höhe der Einrichtung (71) zur Bewegung der Flüssigkeit (20) angeordnet ist