DE3714928C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen heißen Öls nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-OS 34 25 110 ist ein Wärmetauscher zum Kühlen heißen Öls einer Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt. Die bekannte Kühlung des Öls im Öltank ist für einen stark schwankenden und/oder diskontinuierlichen Betrieb zu träge, um eine relativ konstante Temperatur des Öls zu erreichen.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher zum Kühlen heißen Öls einer Maschine, insbesondere des Haupt­ spindelsystems einer Werkzeugmaschine, zu schaffen, bei dem das gekühlte Öl eine im wesentlichen konstante Temperatur aufweist, wobei dieses Ziel mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand erreicht werden soll, und wobei die Anordnung auch in jeder Art von herkömmlichen Öltanks installierbar sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt auch bei sich stark ändernden Betriebsverhältnissen eine gute Konstanthaltung der Öltemperatur auf niedrigem Niveau. Die entsprechenden Maßnahmen lassen sich auch bei herkömmlichen Öltanks verwirklichen.

Bezüglich der Gestalt der Wärmerohre oder der Ölführung gibt es im Prinzip keine Begrenzung, jedoch sollten die Gestaltungen derart zueinander passen, daß das gesamte heiße Öl, das in die Ölführung eingeführt wird, sehr nahe am Wärme aufnehmenden Abschnitt vorbeistreicht und so gekühlt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wärme aufnehmende Abschnitt der Wärmerohranordnung in dem Öltank untergetaucht, während der Wärme abgebende Abschnitt oberhalb des Tanks liegt. Die Ölführung ist ein schachtel­ förmiges Teil, das den unteren Abschnitt der Wärmerohranordnung umgibt. Das eine Ende der Ölführung ist mit der Werkzeugmaschine über eine Rohrleitung verbunden, welche heißes Öl der Ölführung zuführt, während das andere Ende der Ölführung in die Innenseite des Öltanks mündet. Der Wärme abgebende Abschnitt ist mit einem Kühlventilator versehen, um Wärme abzuführen, welche innerhalb der Wärmerohranordnung vom Wärme aufnehmenden Abschnitt zum Wärme abgebenden Abschnitt transportiert wird. Öl, das durch die Wärmerohranordnung gekühlt ist, wird über eine Pumpe in die Werkzeugmaschine zurückgefördert. Dasjenige Ende der Ölführung, das in das Innere des Öltanks mündet, kann mit einem Wehrverschluß versehen sein, der einen Minimumpegel des Öls in der Ölführung aufrecht­ erhält, wenn der Pegel im Öltank unterhalb der Ölführung sinkt. Der Wehrverschluß stellt sicher, daß das aus der Werk­ zeugmaschine kommende heiße Öl ohne Rücksicht auf den Ölspiegel im Öltank korrekt gekühlt wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der nachfolgenden Beschreibung werden be­ vorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Wärmetauschers;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Ausführungsform gemäß Fig. 1, jedoch von links gesehen;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI aus Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des linken Endes der Ölführung bei der Ausführungsform nach Fig. 6;

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX aus Fig. 6;

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines Wehr­ verschlusses einer anderen bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung; und

Fig. 10 einen Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

In den Zeichnungen sind die gleichen Teile mit denselben Bezugsziffern versehen.

Im folgenden wird eine erste bevorzugte Ausführungsform anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Bei dieser Ausführungs­ form ist ein Öltank 2 vorgesehen, in welchem gekühltes Öl 18 für das Hauptspindelsystem einer nicht gezeigten Werk­ zeugmaschine bevorratet ist. Die Wärmerohranordnung 13 ist am Deckel des Öltanks 2 über einen Installations­ rahmen 14 montiert. Das eine Ende der Wärmerohranordnung 13 (Wärme aufnehmender Abschnitt 13a) ist im Öltank 2 unter­ getaucht, und das andere Ende (Wärme abgebender Abschnitt 13b) liegt oberhalb des Öltanks 2.

Sowohl der Wärme aufnehmende Abschnitt 13a als auch der Wärme abgebende Abschnitt 13b umfassen jeweils eine Vielzahl von vertikal sich erstreckenden, verschlossenen Rohren, an denen Flossen sitzen, um die Absorption und Ab­ gabe von Wärme zu intensivieren. Die Rohre sind mit einem Arbeits-Fluid, wie z.B. Flon oder Freon oder Ammoniak, ge­ füllt, wobei das Arbeitsfluid innerhalb der Rohre bei einer Temperatur verdampft und kondensiert, die zwischen der Raumtemperatur und der Temperatur von heißem Öl liegt, das aus der Werkzeugmaschine abgegeben wird. Zum Abführen der Wärme ist ein Kühlventilator 15 am Vorderende des Wärme abgebenden Abschnittes 13a der Wärmerohranordnung an­ geordnet. Der untere Endbereich des Wärme aufnehmenden Abschnittes 13b ist von einer schachtelförmigen Ölführung 16 eng umgeben. Das Oberende und das linke Ende der sechs Seiten der Öl­ führung 16 sind offen, während die vier übrigen Seiten plattenförmig ausgebildet und somit geschlossen sind. Das rechte Ende in Fig. 1 dient als Einlaßende 16a, während das linke Ende als Auslaßende 16b dient und zum Innen­ raum des Öltanks 2 offen ist. Die oberen Enden der Seiten­ wände der Ölführung 16 sind in engem Kontakt mit den äußeren Enden der Flossen 13c, so daß kein Öl dazwischen in den Öl­ tank 2 fließen kann. Ein Öleinlaßrohr 17, das mit dem Hauptspindelsystem der nicht dargestellten Werkzeugmaschine kommuniziert, mündet in die Endwand der Ölführung 16 und zwar an deren Einlaßende 16a. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt der Wärmetauscher weiterhin ein Ölrückführsystem 19, das ein im Öl innerhalb des Tankes 2 untergetauchtes Saugfilter 19a, eine Rohrleitung 19b zwischen dem Saugfilter 19a und der Werkzeugmaschine und eine Pumpe 19c umfaßt, die so an der Rohrleitung 19b sitzt, daß Öl aus dem Öltank 2 durch die Leitung 19b abgezogen und in die Werkzeugmaschine ge­ pumpt wird.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ausführungsform näher beschrieben. Heißes Öl 1 aus dem Hauptspindelsystem einer Werkzeugmaschine wird in die Öl­ führung 16 über das Öleinlaßrohr 17 geführt. Wenn das heiße Öl 1 vom Einlaßende 16a zum Auslaßende 16b der Öl­ führung 16 strömt, so fließt es durch die Zwischenräume zwischen den Rohren des Wärme aufnehmenden Abschnittes 13a. Das Arbeitsfluid, das in den Rohren dicht eingeschlossen ist, wird durch das heiße Öl 1 verdampft. Durch die Ver­ dampfung wird Wärme vom Öl 1 aufgenommen, so daß dieses ge­ kühlt wird. Das verdampfte Arbeitsfluid steigt dann in den Wärme abgebenden Abschnitt 13b auf, wo es vom Kühl­ ventilator 15 gekühlt wird, der Umgebungsluft über die Rohre des Wärme abgebenden Abschnittes 13b bläst. Das Ar­ beitsfluid kondensiert dann innerhalb des Wärme abgebenden Abschnittes 13b und gibt Kondensationswärme an die Umge­ bungsluft ab, woraufhin dann kondensiertes Arbeitsfluid wieder zurück in den Wärme aufnehmenden Abschnitt 13a fließt.

Das heiße Öl 1, das durch die Verdampfung des Arbeitsfluids gekühlt wurde, wird zu gekühltem Öl 18, das etwa bei der Temperatur der Umgebungsluft liegt. Das gekühlte Öl 18 fließt aus dem Auslaßende 16b der Ölführung 16 in den Öl­ tank 2. Das gekühlte Öl 18 wird dann von der Pumpe 19c durch das Saugfilter 19a angesaugt und über die Rohrlei­ tung 19b der Werkzeugmaschine zugeführt.

Nachdem die Wärmerohranordnung 13 aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärme aufnehmenden Abschnitt 13a (der bei der Temperatur des heißen Öls 1 liegt) und dem Wärme abgebenden Abschnittes 13b (die bei der Temperatur der Um­ gebungsluft liegt) funktioniert, tritt ein Austausch von Wärme zwischen heißem Öl 1 und der Umgebungsluft nur dann auf, wenn die Temperatur des heißen Öls 1 oberhalb derjenigen der Umgebungsluft liegt. Die Temperatur des gekühlten Öls 18 wird somit in Annäherung an diejenige der Umgebungsluft gebracht, kann jedoch nie un­ ter diese Temperatur fallen, so daß keine Gefahr der Über­ kühlung des gekühlten Öls 18 besteht. Auf diese Weise wird also die Temperatur des gekühlten Öls 18 naturgemäß so ge­ regelt, daß sie konstant bleibt, ohne daß man dafür weitere, komplizierte Steuermechanismen bräuchte und so daß keine Schwankungen in der Öltemperatur auftreten. Demzufolge besteht keine Gefahr der Schwankungen in der Maschinenge­ nauigkeit der Werkzeugmaschine aufgrund der Schwankungen der Öltemperatur, so daß eine hohe Genauigkeit der Maschine erzielbar ist.

Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet das Öleinlaßrohr 17 in die Seitenwand des Einlaßendes 16a der Ölführung 16. In den Fig. 4 und 6 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei welcher ein Öleinlaßrohr 20 am oberen Ende des Einlaßendes 16a der Ölführung 16 mündet. Im übrigen entspricht die Struktur dieser Ausführungsform im wesentlichen derjenigen der vorher gezeigten Ausführungsform und weist dieselben Vorteile auf. Wenn man aber das Öleinlaßrohr 20 am Ober­ ende anstatt an der Seitenwand der Ölführung 16 münden läßt, so kann man das Öleinlaßrohr 20 leichter integrieren, so daß die Ölführung 16 einstückig als Block ausgeführt werden kann, so daß man die Herstellungskosten reduzieren kann.

Wenn der Ölspiegel nahe dem Oberende des Öltanks 2 liegt, so kann Öl über die Wärmerohranordnung 13 hinreichend gekühlt werden. Wenn aber der Ölspiegel unterhalb des unteren Endes der Wärmerohranordnung 13 liegt, so wird heißes Öl 1, das in die Ölführung 16 eingeführt wird, schnell aus dem Auslaßende 16b der Ölführung 16 fließen, ohne daß das Öl den Wärme aufnehmenden Abschnitt 13a des Wärmerohres 13 in aus­ reichender Höhe umgibt und dadurch das Öl hinreichend gekühlt wird. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die an­ hand der Fig. 6 bis 8 beschrieben ist, ein Wehrverschluß 21 am Auslaßende 16b der Ölführung 16 vorgesehen, der sicherstellt, daß immer Öl in der Ölführung 16 vorhanden ist. Wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt der Ölverschluß 21 eine Platte, die sich über die Breite und einen Teil der Höhe des Auslaßendes 16b der Ölführung 16 erstreckt. Öl muß über den Oberrand des Wehrverschlusses 21 fließen, um die Ölführung 16 zu verlassen. Demzufolge liegt der Ölspiegel in der Ölfüh­ rung 16 immer mindestens bei dem Oberrand des Wehrverschlusses 21, auch dann, wenn der Ölspiegel im Öltank 2 unterhalb des unteren Endes der Wärmerohranordnung 13 liegt, so daß heißes Öl 1, das in die Ölführung 16 eintritt, hinreichend gekühlt wird, be­ vor es in den Öltank 2 fließt. Im übrigen ist diese bevor­ zugte Ausführungsform identisch derjenigen nach Fig. 4 und funktioniert in derselben Weise. Ein Wehrverschluß 21 kann ebenfalls bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit denselben Effekten Verwendung finden.

Fig. 9 zeigt das Auslaßende 16b einer Ölführung 16 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein Wehrverschluß 22 vorgesehen, der sich über die gesamte Breite und Höhe des Auslaßendes 16b der Ölführung 16 erstreckt. Der Wehrverschluß 22 weist eine Vielzahl von durchgehenden Bohrungen 22a auf. Im übrigen ist die Ausführungsform identisch zu der nach den Fig. 1 oder 4. Wie der Wehrverschluß 21 gemäß Fig. 7 hält der Wehrverschluß 22 den Ölspiegel in der Ölführung 16 aufrecht und garantiert eine hinreichende Kühlung des Öls.

Im Idealfall tritt das gesamte heiße Öl 1, das in das Ein­ laßende 16a der Ölführung 16 eintritt, bei dem Auslaßende 16b aus. Aufgrund von Fehlanpassungen der Dimensionen der Ölführung 16 und derjenigen der Wärmerohranordnung 13 können Spalte zwischen dem Oberende der Wände der Ölführung 16 und den Flossen 13c der Wärmerohranordnung 13 bestehen. Wenn der­ artige Spalte bestehen, so kann heißes Öl 1 aus der Innen­ seite der Ölführung 16 über deren Oberrand in den Öltank 2 entweichen, so daß das heiße Öl 1 nicht hinreichend ge­ kühlt wird. Dem soll eine weitere bevorzugte Ausführungs­ form der Erfindung abhelfen, die in Fig. 10 dargestellt ist. Hierbei wird ein ölbeständiges Dichtungsmaterial 23 aus Gummi oder dergleichen zwischen den äußeren Rändern der Flossen 13c der Wärmerohranordnung 13 und den oberen Rändern der Wände der Ölführung 16 vorgesehen. Das Dichtungsmaterial 23 verhütet, daß heißes Öl 1 über die Oberränder der Ölfüh­ rung 16 abfließt, so daß das gesamte heiße Öl 1, das in das Einlaßende 16a der Ölführung 16 fließt, durch den Wärme aufnehmenden Abschnitt 13a fließen und beim Auslaßende 16b austreten muß, so daß es hinreichend gekühlt wird. Im übri­ gen entspricht die Struktur bei dieser bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung im wesentlichen derjenigen nach den Fig. 1 oder 4. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann weiterhin ein Ölwehr vorgesehen sein, wie es in den Fig. 7 oder 9 gezeigt ist.

Bei allen vorher beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Wärmerohranordnung 13 im Zentrum eines Öltanks 2 angeordnet, der Wärme aufnehmende Abschnitt 13a ist im Öl untergetaucht. Solange aber das Auslaßende 16b der Öl­ führung 16 in den Innenraum des Öltanks 2 mündet, bestehen keine Begrenzungen hinsichtlich der Position der Wärmerohranordnung 13. Bei einer weiteren (nicht gezeigten) bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung sind somit die Wärmerohranordnung 13 und die Ölführung 16 außerhalb des Öltanks 2, vorzugsweise in dessen Nähe, angebracht.

Wenn die Wärmerohranordnung 13, der Installationsrahmen 14, der Kühlventilator 15, die Ölführung 16 und das Einlaßrohr 17 oder 20 fest miteinander unter Bildung einer kompakten Einheit verbunden sind, so kann man diese Einheit leicht transportieren und vorgefertigt am Arbeitsort in jeden Öl­ tank einbauen.

Bei den oben beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Wärmerohranordnung 13 auf der Oberseite eines Öltanks 2 angebracht. Bei einer anderen, hier nicht ge­ zeigten Ausführungsform der Erfindung, ist die Wärmerohranordnung an der Seite eines Öltanks 2 befestigt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mündet das Einlaßrohr 17 oder 20 am Boden des Einlaßendes 16a der Ölführung 16.

Claims (14)

1. Wärmetauscher zum Kühlen heißen Öls (1) einer Maschine, mit einem Öltank (2), einer Wärmerohranordnung (13) mit einem Wärme aufnehmenden Abschnitt (13a) und einem Wärme abgebenden Abschnitt (13b), wobei die Wärmerohranordnung (13) ein Arbeitsfluid enthält, das innerhalb der Wärmerohranordnung (13) bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und der Temperatur des heißen Öls (1) von der Maschine verdampft und kondensiert, und einem Kühlventiltor (15) zum Kühlen des Wärme abgebenden Abschnittes (13b), gekennzeichnet durch eine Ölführung (16), welche den unteren Endbereich des Wärme aufnehmenden Abschnittes (13a) umgibt, wobei die Öl­ führung (16) ein Einlaßende (16a) für das Zuführen des heißen Öls (1) aus der Maschine aufweist, sowie ein Aus­ laßende (16b) für das gekühlte Öl, das in den Öltank (2) mündet, wobei das Einlaßende (16a) und das Auslaßende (16b) an einander gegenüberliegenden Seiten des unteren Endbereiches des Wärme aufnehmenden Abschnittes (13a) liegen, so daß das Öl auf dem Weg vom Einlaßende (16a) zum Auslaßende (16b) zwangsläufig an den Wärme aufnehmenden Abschnitt (13a) vorbeifließt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme aufnehmende Abschnitt (13a) der Wärmerohranordnung (13) sich innerhalb des Öltanks (2) und der Wärme abgebende Abschnitt (13b) sich außerhalb des Öltanks (2) befindet.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohranordnung (13) und die Ölführung (16) außerhalb des Öltanks (2) angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme aufnehmende Abschnitt (13a) und der Wärme abgebende Abschnitt (13b) sich vertikal erstreckende, verschlossene Rohre umfassen, die das Arbeitsfluid enthalten und daß Kühlflossen (13c) an den Außenflächen der Rohre angebracht sind.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölführung (16) den unteren Endbereich des Wärme aufnehmenden Abschnittes (13a) der Wärmerohranordnung (13) schachtelförmig umgibt, wobei als Auslaßende (16b) eine mindestens teilweise zum Innenraum des Öltanks (2) offene Seite dient.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßende (16b) der Ölführung (16) eine vollständig zum Innenraum des Öltanks (2) offene Seite ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wehrverschluß (21) vorgesehen ist, der am Auslaßende (16b) der Ölführung (16) liegt und der sich über die gesamte Breite und einen Teil der Höhe des Auslaßendes (16b) erstreckt.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wehrverschluß (22) vorgesehen ist, der am Auslaßende (16b) der Ölführung (16) sich über die gesamte Breite und Höhe des Auslaßendes (16b) erstreckt und durchgehende Bohrungen (22a) aufweist.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ölresistentes Dichtungsmaterial (23) zwischen dem Oberrand der Ölführung (16) und dem Wärme aufnehmenden Abschnitt (13a) der Wärmerohranordnung (13) derart angebracht ist, daß heißes Öl nicht zwischen dem Oberrand der Ölführung (16) und dem Wärme aufnehmenden Abschnitt (13a) nach außen fließen kann.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Öleinlaßrohr (20) in das Einlaßende (16a) der Öl­ führung (16) von oben her einmündet.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Öleinlaßrohr (17) in das Einlaßende (16a) der Öl­ führung (16) von der Seite her einmündet.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Öleinlaßrohr in das Einlaßende (16a) der Ölführung (16) von unten her einmündet.

13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohranordnung (13) auf der Oberseite des Öltanks (2) montiert ist.

14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohranordnung (13) an einer Seite des Öltanks (2) angeordnet ist.