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Die
Erfindung betrifft die Verwendung einer Leistungs- und Ansteuerelektronik
bzw. Servoeinheit mit Flüssigkeits-Kühlsystem
an einer Spritzgießmaschine,
bei der mindestens das Spritzaggregat durch elektrische Servomotoren
betätigbar
ist.
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Derartige
Spritzaggregate für
Spritzgießmaschinen
sind mit einem mehrere Baugruppen umfassenden modularen Aufbau bereits
Gegenstand der
DE 42
20 445 C2 . Bei diesem modularen Aufbau besteht
- – eine
erste Baugruppe, aus der von einem Schneckenzylinder und einer Schnecke
gebildeten Plastifiziereinheit,
- – eine
zweite Baugruppe aus einem Dosierantrieb für die Schnecke der Plastifiziereinheit,
- – eine
dritte Baugruppe aus zwei parallelachsig zueinander arbeitenden
Antrieben, über
die die Düsenbewegung
zwischen Plastifiziereinheit und Spritzwerkzeug betätigbar ist,
- – und
eine vierte Baugruppe ebenfalls aus zwei parallelachsig zueinander
arbeitenden Antrieben, über
die die Einspritzbewegung der Schnecke im Schneckenzylinder der
Plastifiziereinheit als Axialverschiebung hervorbringbar ist,
- – wobei
sich die Plastifiziereinheit mittig zwischen den beiden parallelachsigen
Antrieben von dritter und vierter Baugruppe befindet.
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Damit
diese Spritzaggregate mit einem verminderten Antriebsaufwand für die Spritzgießmaschinen
auskommen und daher zu einem kompakteren Gesamtaufbau derselben
führen,
sind mindestens die beiden parallelachsigen Antriebe der vierten
Baugruppe – des
modularen Aufbaus – jeweils
mit einem fremdgekühlten,
hier flüssigkeitsgekühlten, elektrischen
Servomotor ausgestattet, wobei diese Servomotoren miteinander für Synchronlauf
in Verbindung stehen. Neben den beiden Antrieben der vierten Baugruppe
können
in vorteilhafter Weise sowohl die beiden Antriebe der zweiten Baugruppe
als auch der Antrieb der dritten Baugruppe jeweils mit fremdgekühlten, hier
flüssigkeitsgekühlten, elektrischen
Servomotoren ausgestattet werden. Auch der Antrieb der ersten Baugruppe
des modularen Aufbaus kann natürlich
aus einem fremdgekühlten,
hier flüssigkeitsgekühlten, elektrischen
Servomotor bestehen.
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Die
mit der
DE 42 20 445
C2 vorgeschlagene Nutzung von elektrischen Servomotoren
hat nicht nur den Vorteil, daß alle
Bewegungsvorgänge
eines Spritzaggregates präzise
ablaufen und damit der Spritzvorgang sowie die daraus resultierende
Qualität
für die
Formteile wesentlich verbessert werden kann. Vielmehr läßt sich
der Gesamtaufwand für
die Erstellung der Spritzgießmaschine
minimieren, weil sich jeder einzelne Antrieb unmittelbar durch verfügbaren Netzstrom
speisen läßt. Von
besonderer Bedeutung ist jedoch die vorgeschlagene Ausstattung der
Baugruppen mit flüssigkeitsgekühlten elektrischen
Servomotoren für
Spritzgießmaschinen,
die in sogenannten Reinräumen
betrieben werden müssen.
Die über
das Kühlmedium
aus dem Bereich der Antriebe abgeführte Wärmeenergie kann nämlich keinen
Einfluß auf
die Reinraumbedingungen nehmen. Darüber hinaus läßt sie sich
in vorteilhafter Weise zurückgewinnen
und anschließend,
bspw. zur Temperierung der Spritzwerkzeuge sowie des Schneckenzylinders
am Spritzaggregat nutzen. Es stellt sich somit auch eine Erhöhung des
Gesamtwirkungsgrades der Spritzgießmaschine bzw. einer Einsparung
von Energiekosten ein.
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Besonders
dann, wenn als flüssigkeitsgekühlte elektrische
Servomotoren Drehstrom-Servomotoren genutzt werden, umfaßt das jeweilige
Antriebssystem in der Regel zu jedem Drehstrom-Servomotor noch eine
Leistungs- und Ansteuerelektronik bzw. Servoeinheit. Als solche
Leistungs- und Ansteuerelektronik bzw. Servoeinheiten können dabei Transistor-Umrichter
benutzt werden, die einen modularen Aufbau haben, und zwar bspw.
derart, daß eine
oder mehrere Servoeinheiten über
einen Zwischenkreis mit einer Grundeinheit zusammenarbeiten.
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Das
Funktionsprinzip der aus einer Grundeinheit und mindestens einer
damit über
einen Zwischenkreis zusammenarbeitenden Servoeinheit bestehenden
Transistor-Umrichter beruht einerseits darauf, daß aus dem
Netz über
einen Transformator und Eingangsgleichrichter der Zwischenkreis
geladen wird. Andererseits wird in Abhängigkeit von der Drehzahl und
der Belastung ein Drehfeld mit variabler Frequenz, Amplitude und
Phasenlage erzeugt.
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Es
liegt auf der Hand, daß beim
Einsatz solcher Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten
eine nicht unbeträchtliche
Verlustenergie entsteht, die in unerwünschter Weise in Wärmeenergie
umgesetzt wird. Hierdurch wird naturgemäß der Einsatz der Spritzgießmaschinen
unter Reinraum-Bedingungen beeinträchtigt wie auch der Gesamtwirkungsgrad
der Spritzgießmaschine
verringert.
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Zur
Ausräumung
dieser Nachteile schlägt
die Erfindung die Verwendung einer Leistungs- und Ansteuerelektronik
bzw. Servoeinheit mit Flüssig keits-Kühlsystem,
das mindestens einen Kühlkreis hat,
an einer Spritzgießmaschine
vor, bei der mindestens das Spritzaggregat, vorzugsweise aber auch
die Schließeinheit
für die
Formwerkzeuge, durch elektrische Servomotoren betätigbar ist.
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Vorteilhaft
ist dabei, wenn jedes Flüssigkeits-Kühlsystem
aus einer den Kühlkreis
enthaltenden Kühlplatte
besteht.
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In
besonderem Maße
bewährt
es sich, wenn die Flüssigkeits-Kühlsysteme
bzw. Kühlplatten
mehrerer Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten
an ein gemeinsames Haupt- bzw. Vorschalt-Flüssigkeits-Kühlsystem
adaptierbar sind. Auch das Haupt- bzw. Vorschalt-Flüssigkeits-Kühlsystem kann aus einer Kühlplatte
bestehen, die mindestens einen Kühlkreis
mit mehreren zueinander parallelen Anschlußpaaren für verschiedene Flüssigkeits-Kühlsysteme
von Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten aufweist.
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Da
die Flüssigkeits-Kühlsysteme
sämtlicher Leistungs-
und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten sich – gegebenenfalls über das
Haupt- bzw. Vorschalt-Kühlsystem – in einem
geschlossenen Flüssigkeitskreislauf
mit Wärmeverbrauchern,
z. B. Temperiervorrichtungen für
Spritzwerkzeuge und/oder für
den Schneckenzylinder des Spritzaggregates anordnen lassen, kann
auch die von den Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten
abgeführte
Wärmeenergie
zurückgewonnen und
zur Erhöhung
des Gesamtwirkungsgrades der Spritzgießmaschine bzw. zur Einsparung
von Energiekosten genutzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
hat den Vorteil, daß keine
Ventilatoren für
die Fremdlüftung benötigt werden.
Hieraus resultiert nicht nur eine verkleinerte Baugröße und eine
Kosteneinsparung bei der Herstellung der Spritzgießmaschine,
sondern es wird auch deren Einsatz unter Reinraum-Bedingungen erleichtert,
weil keine Kanäle
bzw. Leitungen zur Führung
der Fremdlüftungs-Luft
erforderlich sind. Auch Temperatureinflüsse durch Jahreszeiten bzw. Klimazonen
können
leichter kompensiert werden, somit sich eine Minimierung der Fehlerursachen
ergibt. Darüber
hinaus wird die Leistungsausnutzung der elektrischen Bauteile erhöht, weil
konstante Verhältnisse
herrschen und somit unter Kosteneinsparung Dimensionierungsreserven
reduzierbar sind. Schließlich
können
die Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten an bzw.
im Bereich der Spritzgießmaschinen
jeweils dort positioniert werden, wo der nötige Einbauraum verfügbar ist.
Ein- und austrittsseitige Luftführungs-Freiräume, wie
sie bei Fremdbelüftung
mit Ventilatoren unbedingt erforderlich sind, werden durch die Ausstattung
mit Flüssigkeits-Kühlsystemen nicht mehr benötigt.
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An
dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, daß die Verwendung der Leistungs-
und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten mit Flüssigkeitskühlsystem
bei Spritzgießmaschinen
selbstverständlich
nicht auf die Servomotor-Antriebssysteme des Spritzaggregates beschränkt ist.
Vielmehr können
sie auch in Verbindung mit Schließeinheiten für Formwerkzeuge
von Spritzgießmaschinen
zum Einsatz gelangen, die als Antriebe flüssigkeitsgekühlte elektrische
Servomotoren aufweisen, wie das bspw. der älteren Patentanmeldung
DE 42 28 139 C2 zu
entnehmen ist.
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Es
liegt natürlich
ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw.
Servoeinheiten mit Flüssigkeitskühlsystem
bei solchen Spritzgießmaschinen
zu verwenden, deren elektronische Servomotoren mit anderen Fremdkühlungen,
insbesondere mit Luftkühlung,
arbeiten.
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Anhand
einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 als
Anwendungsbeispiel der Erfindung teilweise in der Draufsicht und
teilweise in einem horizontalen Längsschnitt ein Spritzaggregat
für eine Spritzgießmaschine
mit einem vier verschiedene Baugruppen umfassenden modularen Aufbau,
wobei der die erste Baugruppe bildenden Plastifiziereinheit drei
verschiedene Antriebs-Baugruppen zugeordnet sind und wobei eine
der Antriebsbaugruppen mit nur einem flüssigkeitsgekühlten elektrischen
Servomotor ausgestattet ist, während
die beiden übrigen
Antriebs-Baugruppen jeweils mit zwei paarweise miteinander für Synchronlauf
in Verbindung stehenden, flüssigkeitsgekühlten elektrischen
Servomotoren arbeiten,
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2 ein
Prinzip-Schaltbild einer Leistungs- und Ansteuerelektronik bzw.
Servoeinheit, wie sie mit den flüssigkeitsgekühlten elektrischen
Servomotoren einer Spritzgießmaschine,
bspw. am Spritzaggregat oder an der Schließeinheit zusammenarbeitet,
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3 die
rein schematische Seitenansicht einer Leistungs- und Ansteuerelektronik bzw. Servoeinheit
mit erfindungsgemäßer Ausstattung,
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4 die
Leistungs- und Ansteuerelektronik bzw. Servoeinheit nach 3 in
der Draufsicht, und
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5 wiederum
in rein schematischer Darstellung eine Seitenansicht mehrerer Leistungs-
und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten nach der Erfindung
in modularer Anordnungsweise.
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In 1 der
Zeichnung ist der Einfachheit halber von einer Spritzgießmaschine
lediglich das einen wesentlichen Bestandteil derselben bildende Spritzaggregat 1 dargestellt,
welches einen sogenannten modularen Aufbau hat.
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Ein
weiterer, ebenso wesentlicher Bestandteil einer Spritzgießmaschine,
nämlich
die Schließeinheit
für die
mit dem Spritzaggregat zusammenarbeitenden Formwerkzeuge, ist jedoch
in 1 nicht zu sehen, obwohl die nachfolgend erläuterten
Sachverhalte auch hierauf zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Das
in 1 der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel eines Spritzaggregates 1 ist
auf der Basis von vier Baugruppen A, B, C und D erstellt, wobei
als erste Baugruppe A die eigentliche Plastifiziereinheit 2 des
Spritzaggregates 1 vorhanden ist, welche wieder um den Schneckenzylinder 3 mit
der nach vorne gerichteten Spritzdüse 4 sowie die darin
drehbar gelagerte Schnecke 5 umfaßt, welche nach hinten aus
dem Schneckenzylinder 3 herausragt. Nicht im einzelnen
gezeigt sind die den Schneckenzylinder 3 zumindest über einen
Teil seiner Länge
umgebenden sogenannten Heiz- und Kühlbandagen.
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Die
zweite Baugruppe B wird von dem Dosierantrieb 6 für die Schnecke 5 der
Plastifiziereinheit 2 gebildet, wobei dieser mit dem aus
dem Schneckenzylinder 3 nach hinten herausragenden Ende der
Schnecke 5 gekuppelt werden kann.
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Als
dritte Baugruppe C sind zwei parallelachsig zueinander arbeitende
und untereinander völlig baugleiche
Antriebe 7a und 7b vorhanden, über die die Relativbewegung
der von der Plastifiziereinheit 2 mit der Kunststoffschmelze
belieferten Spritzdüse 4 gegenüber einem
Spritzwerkzeug 8 hervorbringbar ist, von dem in der Zeichnung
nur eine Werkzeughälfte
durch gestrichelte Linien angedeutet wird.
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Zur
vierten Baugruppe D gehören
wiederum zwei parallelachsig zueinander arbeitende Antriebe 9a und 9b, über welche
dabei die Einspritzbewegung der Schnecke 5 im Schneckenzylinder 3 der
Plastifiziereinheit 2 als Axialverschiebung hervorbringbar ist.
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Aus 1 der
Zeichnung läßt sich
entnehmen, daß nicht
nur der die zweite Baugruppe B bildende Dosierantrieb 6 für die Schnecke 5 der
Plastifiziereinheit 2 mit einem elektrischen Servomotor 28 ausgestattet
ist. Vielmehr sind auch den untereinander baugleichen Antrieben 7a und 7b der
dritten Baugruppe C elektrische Servomotoren 32a, 32b und den
parallelachsig zueinander arbeitenden Antrieben 9a und 9b der
vierten Baugruppe D elektrische Servomotoren 22a, 22b zugeordnet.
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Insgesamt
umfaßt
somit das Antriebssystem für
das Spritzaggregat 1 fünf
elektrische Servomotoren 28; 32a, 32b und 22a, 22b.
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Wesentlich
für das
Antriebssystem des Spritzaggregates 1 ist, daß es sich
bei den elektrischen Servomotoren 28; 32a, 32b und 22a, 22b jeweils
um flüssigkeitsgekühlte elektrische
Servomotoren, und zwar vornehmlich um Drehstrom-Synchronmotoren
hoher Leistungsdichte handelt, die nicht nur einen sehr kompakten
Gesamtaufbau des Antriebssystems ermöglichen, sondern darüber hinaus
eine Erhöhung
des Gesamtwirkungsgrades der Spritzgießmaschine bzw. eine Einsparung
von Energiekosten bewirken und den problemlosen Einsatz der Spritzgießmaschine
unter Reinraum-Bedingungen zulassen. Die durch das flüssige Kühlmedium
von den elektrischen Servomotoren abgeführte Wärmeenergie läßt sich
zurückgewinnen
und anschließend, bspw.
zur Temperierung der Heizbandagen am Schneckenzylinder 3 und/oder
der in der Schließeinheit
befindlichen Werkzeuge benutzen. Die Einsatzmöglichkeit unter Reinraum-Bedingungen
ist möglich,
weil die wassergekühlten
elektrischen Servomotoren keine unerwünschten Luftverwirbelungen
erzeugen können.
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Für den optimalen
Betrieb der als Drehstrom-Synchronmotoren ausgelegten, flüssigkeitsgekühlten elektrischen
Servomotoren 28; 32a, 32b und 22a, 22b werden
in der Regel sogenannte Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw.
Servoeinheiten benutzt, von denen ein Prinzip-Schaltbild als Beispiel
in 2 der Zeichnung zu sehen ist.
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Hiernach
ist mindestens eine Servoeinheit 50a in Benutzung. In der
Regel sind jedoch gleichzeitig mehrere Servoeinheiten 50a, 50b... 50f, 50g vorhanden,
denen über
einen sogenannten Zwischenkreis 51 eine Grundeinheit 52 vorgeordnet
ist, die wiederum unter Zwischenschaltung eines Transformators an
das Drehstromnetz 53 gelegt ist.
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Aus
dem Netz wird über
den Transformator 53 und Eingangsgleichrichter der Grundeinheit 52 der
Zwischenkreis 51 geladen. Abhängig von der Drehzahl und der
Belastung wird dann in der jeweiligen Servoeinheit 50a, 50b... 50f, 50g nach
dem Umrichter-Prinzip ein Drehfeld mit variabler Frequenz, Amplitude
und Phasenlage für
den jeweils zugehörigen
Drehstrom-Synchronmotor erzeugt, um diesen bedarfsweise entweder
mit Synchronverhalten oder aber mit Gleichstromnebenschlußverhalten
in Betrieb nehmen bzw. betreiben zu können.
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Jede
Leistungs- und Ansteuerelektronik bzw. Servoeinheit muß wegen
ihrer Ausstattung mit Leistungshalbleitern (Dioden, Transistoren)
notwendigerweise gekühlt
werden, weil dort die nicht unbeträchtliche Leistung innerhalb
der pn-Schicht in Wärme umgewandelt
wird. Diese Wärme
heizt den Halbleiter auf , und zwar mit der Folge, daß der Strom
weiter ansteigt und in kurzer Zeit die Schicht weit über die
zulässige
Grenze erwärmt.
Sie verliert dann ihre Sperrfähigkeit
und wird in beiden Richtungen durchschlagen. Deshalb ist es wichtig,
daß die
Verlustwärme möglichst
schnell in einem Wärmestrom
von den Halbleiterplättchen
weggeleitet bzw. abgeführt
wird.
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In
den 3 und 4 der Zeichnung ist jeweils
schematisch eine Servoeinheit 50 zu sehen, welche sich
dadurch auszeichnet, daß sie
ein Flüssigkeits-Kühlsystem 54 aufweist.
Dieses Flüssigkeits-Kühlsystem 54 wird
dabei vorzugsweise von einer Kühlplatte 55 gebildet,
die aus einem gut wärmeleitenden
Material, z. B. Kupfer, besteht und mindestens einen Kühlkreis 56 enthält, der
sich von einem Flüssigkeitseinlaß 57 aus
zu einem Flüssigkeits-Auslaß 58 hin
erstreckt und dabei so verläuft,
daß sich ein
möglichst
optimaler Wärmeabtransport
ergibt.
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In 5 ist
dargestellt, daß auch
die Möglichkeit
besteht, einen modularen Aufbau der Leistungs- und Ansteuerelektroniken
bzw. Servoeinheiten 50a, 50b.... 50f, 50g in
Gebrauch zu nehmen. Hierbei sind die Flüssigkeits-Kühlsysteme 54 bzw. Kühlplatten 55 mehrerer
Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten 50a bis 50g an
ein gemeinsames Haupt- bzw. Vorschalt-Flüssigkeits-Kühlsystem 59 adaptierbar.
Im Beispiel der 5 trägt dabei das Haupt- bzw. Vorschalt-Flüssigkeits-Kühlsystem 59 fünf Leistungs-
und Ansteuer elektroniken bzw. Servoeinheiten 50a, 50b, 50c, 50d und 50e und
hat darüber
hinaus noch zwei weitere Adaptionsplätze, an denen sich bei Bedarf
weitere Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten 50f und 50g vorsehen
lassen.
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Der 5 läßt sich
entnehmen, daß auch das
Haupt- bzw. Vorschalt-Flüssigkeits-Kühlsystem 59 aus
einer Kühlplatte 60 besteht,
die mit mindestens einem Kühlkreis 61 ausgestattet
ist, der einen Einlaß 62 und
einen Auslaß 63 für das flüssige Kühlmittel
aufweist.
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Es
ist selbstverständlich,
daß der
Kühlkreis 61 in
zweckentsprechender Verteilung über
die Fläche
der Kühlplatte 60 mit
mehreren zueinander parallelen Anschlußpaaren versehen ist, von denen
jedes die Adaption einer einzelnen Servoeinheit 50 nach
den 3 und 4 der Zeichnung über den Einlaß 57 und
den Auslaß 58 des
Kühlkreises 56 ihrer
Kühlplatte 55 ermöglicht.
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Das
Haupt- bzw. Vorschalt-Flüssigkeits-Kühlsystem 59 nach 5 kann
in vorteilhafter Weise in einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf mit Wärmeverbrauchern
gelegt werden, die der Spritzgießmaschine zugeordnet sind.
Bei diesen Wärmeverbrauchern
kann es sich bspw. um die Heizbandagen am Schneckenzylinder 3 des
Spritzaggregates 1 handeln. Als Wärmeverbraucher können jedoch
auch die Temperiervorrichtungen für das in der Schließeinheit
der Spritzgießmaschine
befindliche Spritzwerkzeug 8 genutzt werden.
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Wesentlich
ist in jedem Falle, daß die
Verlustwärme
aus dem Bereich der Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten 50 bzw. 50a bis 50g nicht
nur möglichst
schnell und sicher weggeleitet wird, sondern zu einer Erhöhung des
Gesamtwirkungsgrades der Spritzgießmaschine bzw. einer Einsparung
von Energiekosten genutzt werden kann. Ebenso wesentlich ist aber
auch, daß durch
die Flüssigkeits-Kühlsysteme
der Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten der
Einsatz der Spritzgießmaschine
unter Reinraum-Bedingungen wesentlich erleichtert wird, weil diese
Kühlungsart keine
unerwünschten
Luftverwirbelungen erzeugt.
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Die
Flüssigkeitskühlung für die Servomotoren
der Spritzgießmaschine
kann mit den Flüssigkeitskühlungen
für die
Leistungs- und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten, bspw. über das
Haupt- bzw. Vorschalt-Flüssigkeits-Kühlsystem 59 nach 5 zusammenarbeiten.
Es liegt aber ohne weiteres auch im Rahmen des Möglichen, die flüssigkeitsgekühlten Leistungs-
und Ansteuerelektroniken bzw. Servoeinheiten auch dann einzusetzen,
wenn die Servomotoren der Spritzgießmaschine als Fremdkühlung eine
Luftkühlung
benutzen.
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An
allen zum Einsatz gelangenden Flüssigkeits-Kühlsystemen
besteht die Möglichkeit,
die Durchflußmenge
und die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen der Ein-
und Austrittsseite durch geeignete Meßmittel zu erfassen. Die Meßparameter
können
dann für
Auswertungen verwendet werden, die Rückschlüsse auf den Betriebszustand einzelner
Komponenten und auch der Gesamtanlage rückschließen lassen. Hierdurch kann
z. N. eine Sicherheitsabschaltung bei Überlastung erreicht werden.
Möglich
ist aber auch das Erkennen von Veränderungen im Betriebsverhältnis. So
braucht bspw. ein elektrischer Servomotor bei einem Lagerschaden
für die
gleiche Bewegung mehr Strom und folglich steigt die Kühlmitteltemperatur
entsprechend an. Bei Überschreitung
eines bestimmten Temperaturniveaus bewirken dann die Auswerteeinheiten
eine Sicherheitsabschaltung.