EP2114679B1 - Kühlvorrichtung für druckmaschinen - Google Patents

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EP2114679B1
EP2114679B1 EP08707253A EP08707253A EP2114679B1 EP 2114679 B1 EP2114679 B1 EP 2114679B1 EP 08707253 A EP08707253 A EP 08707253A EP 08707253 A EP08707253 A EP 08707253A EP 2114679 B1 EP2114679 B1 EP 2114679B1
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EP
European Patent Office
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compressor
cooling device
valve
decompression valve
circuit
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Andreas Harig
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Technotrans SE
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41F—PRINTING MACHINES OR PRESSES
    • B41F13/00—Common details of rotary presses or machines
    • B41F13/08—Cylinders
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41F7/24—Damping devices
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    • F25B49/022—Compressor control arrangements
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    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2513—Expansion valves

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for printing presses with a primary refrigerant circuit and a secondary cooling water circuit.
  • Printing machines generate heat during the printing process, which must be dissipated, as it negatively affects the print quality.
  • cooling is accomplished by using a dampening solution that is used for offset printing. It is also known to circulate a cooling medium, in particular cooling water, through the interior of the pressure rollers or some pressure rollers.
  • a largely constant coolant temperature, whose fluctuation range is below 1 ° C, can have a very favorable influence on the print quality.
  • the regulation of the refrigeration circuit has the advantage that it is generally possible with less effort in terms of apparatus.
  • Variable speed compressors can be used but have the disadvantage of requiring relatively expensive frequency converters.
  • the JP 2005-282937 describes a cooling device with a refrigerant circuit and a coolant circuit, wherein the refrigerant circuit comprises a scroll compressor with a digital switching mechanism.
  • the US 2002/112636 A1 describes a system for controlling a system temperature on a rotary printing machine with a refrigeration circuit and a cooling water circuit, wherein the refrigerant circuit comprises a compressor with a compressor drive and a controller.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a cooling device of a printing press, which allows to keep the coolant temperature largely constant, without a complex, variable speed compressor and / or a bulky and spacious Ausretestank are required.
  • One aspect of the invention relates to a cooling device for printing presses with a primary refrigerant circuit and a secondary cooling water circuit
  • the refrigerant circuit comprises a compressor with a compressor drive and a controller, wherein the compressor is designed such that the compressor power of the compressor regardless of the speed of the compressor drive over the controller is controllable
  • the cooling device further comprises an evaporator with a coaxial heat exchanger.
  • Compressors are e.g. Screw compressors, gear pumps, reciprocating compressors, turbines or similar Compressor in question.
  • a speed independent control can e.g. via disengagement of pumping elements used for compression, e.g.
  • the low-pressure side of the compressor is designed to be controllably connected to the pressure side by means of a fluid connection of the lower circuit, so that with existing fluid connection between the low pressure side and pressure side preferably no pressure difference or only a slight pressure difference is buildable.
  • This can preferably take place, for example, via an additional or alternatively provided, via a bypass valve controlled fluid channel, which connects the low-pressure side and the pressure side of the compressor with each other or from each other.
  • cooling device designates the arrangement of the refrigeration circuit with the corresponding components and may preferably also comprise components of the cooling water circuit.
  • the coaxial heat exchanger of the evaporator is a very massive heat exchanger. By such an evaporator type with large refrigerant or coolant volume, a further smoothing of the temperature in the secondary circuit can be achieved.
  • a pulsed fluid flow is preferably generated.
  • the compressor capacity ie the delivery rate, depends on the pulse duration and the pulse rate. About one in relation to the duration between two pulses low pulse duration, a compressor may preferably be controlled continuously between 10% and 100% of the maximum delivery rate more preferably between 5% and 100% and most preferably between 0% and 100% of the maximum delivery rate. This is the advantage of such a compressor, which would not be achieved only by a regulation of a drive speed or only with great effort. In a preferred compressor, however, control of the drive speed can be used in addition to the pulsed speed control.
  • the controller is at the same time in communication with a relief valve of the refrigerant circuit, that the control of the compressor with the regulation of the expansion valve is coordinated.
  • the cooling device is preferably designed such that the refrigeration circuit includes a digital scroll compressor, which is switchable by means of a controller between the switching states "full power” and “no power” and that the controller is also in communication with the expansion valve of the refrigeration circuit in such a way that the switching rhythm of the scroll compressor is coordinated with the regulation of the expansion valve.
  • a device with a combination of a compressor, which can be controlled independently of the speed, for example a digital scroll compressor, and a permanent compressor.
  • a permanent compressor is a conventional compressor in which the compressor capacity of the permanent compressor depends essentially only on the speed of the compressor drive of the permanent scroll compressor. Such a conventional permanent compressor is therefore adjustable only via the compressor drive, so for example via the speed and / or the ratio of an on and off duration of the compressor drive.
  • a combination of speed independent controllable compressor (s) and permanent compressor (s) has the advantage that conventional compressors are cheaper than eg digital compressors of the same size and design. By means of a suitable combination of the two compressor types, regulation can be achieved over the entire required control range.
  • a fine control (in particular in the range just above 0% of the maximum total compressor power) preferably via the speed-independent controllable compressor, so for example the digital Scrollverêtr occurs, and the coarse control via Hinzurete or shutdown of one or more conventional compressor.
  • the compressors are preferably connected in parallel.
  • the temperature profile in the evaporator can be significantly smoothed.
  • the scroll compressor is turned on and off at a fixed timing, this timing can be taken into account in the regulation of the expansion valve.
  • the expansion valve is preferably formed by a continuously variable electronic valve. As a result, the expansion valve can be controlled very finely and in each case taking into account the current and the following switching state of the scroll compressor.
  • an embodiment of the expansion valve as a mechanical valve.
  • a mechanical valve can preferably be provided and / or adjusted independently of the control of the compressor, that is, without the coordination between compressor and valve described above.
  • a pressure compensation element is preferably provided in the flow direction behind the expansion valve between the expansion valve and the compressor, can be compensated by the pressure peaks on the low pressure side of the compressor. This has the advantage that pressure peaks, which can occur on the low-pressure side and which may be disadvantageous in particular for a diaphragm of a mechanical valve, can be reduced or avoided.
  • Such a pressure compensation element can be formed for example as a surge tank or as a pressure equalizing tube.
  • a pressure equalizing tube may be disposed on a refrigerant line extending between the relief valve and the compressor, wherein the Pressure equalization pipe from the refrigerant pipe can extend upwards.
  • a pressure equalizing tube can preferably be soldered perpendicularly to a refrigerant medium line extending between the valve and the refrigerant line.
  • a compressible gas cushion can build up and hold and contribute to the desired pressure equalization.
  • the invention enables a relatively inexpensive solution of Temper michsproblems in printing machines.
  • a large buffer tank for the coolant can be saved on the secondary side, and thus also reduces the amount of cooling water required.
  • FIG. 1 is shown on the right side of a refrigerant circuit 10 and on the left side of a coolant circuit 12. As coolant within the coolant circuit in particular water comes into consideration.
  • the refrigerant circuit comprises a compressor or compressor 14 which has a (not separately shown) compressor drive, for example in the form of an electric motor or an internal combustion engine, and which is preferably part of the compressor 14, a condenser 16, an expansion valve 18 and a Evaporator 20, which are arranged in the order mentioned in a circle.
  • a collecting container for the condensed liquid is called, which exerts a certain buffer function in the refrigerant circuit.
  • a sub-circuit 24 connects the output side to the input side of the compressor.
  • Subcircuit 24 includes a bypass valve 26.
  • Subcircuit 24 thus symbolizes the function of a so-called scroll compressor or scroll compressor.
  • a scroll compressor has a displacement chamber formed by two intermeshing spirals. If the two housing parts are pulled apart axially, the compression effect is interrupted abruptly. This switching process can take place as often as desired and at any time. It is therefore possible to control the compressor 14 so that it is turned on and off in a predetermined pulse-duty ratio. This procedure is not possible with a conventional compressor because the switching on and off with respect to the desired life is possible only with restrictions, as stated above.
  • a temperature sensor 28 Downstream of the evaporator 20 is a temperature sensor 28 in the refrigerant circuit.
  • the direction of movement of the refrigerant in the refrigeration circuit is indicated by arrows.
  • the expansion valve 18, the bypass valve 26 and the temperature sensor 28 are connected via control lines 30, 32 to a control unit 34.
  • the refrigerant circuit 12 Before the operation of the refrigeration cycle control according to the invention is shown, the refrigerant circuit 12 will first be briefly explained.
  • the heat exchanger designed as an evaporator 20
  • a buffer container 36 and a temperature sensor 38 in front of the symbolically indicated pressure roller 40 and an optional heater 42 and a circulation pump 44 behind the pressure roller 40 between this and the evaporator heat exchanger 20.
  • the pressure roller 40 is symbolic of the need for cooling Consumption points of a printing machine.
  • the heater 42 is provided in the case that the refrigerant flow in the refrigerant circuit 12 has dropped to too low a temperature.
  • the temperature sensor 38 controls the temperature of the coolant.
  • the temperature control should take place primarily in the primary circuit, ie in the refrigeration circuit 10.
  • the compressor 14 is preferably a scroll compressor or scroll compressor, particularly a digital scroll compressor.
  • the special feature of a digital scroll compressor is the controllability of the two scrolls that are used for refrigerant compression.
  • the two spirals can preferably be moved apart in the axial direction and thus make it possible to switch the compression power on and off without the drive motor must be turned off.
  • the two spirals can preferably be either pulled apart and provide no power in this case, or they can be pushed together and held together and then provide the maximum compression performance. It is therefore essentially a pure yes-no control, so that one can speak of a digital compressor.
  • the power control can be done by pulse width modulation, in which the ratio of the on and off phases of the compressor or the pulse duration and the pulse frequency is varied. It is conceivable, while maintaining the same pulse duration Set or regulate the pulse rate and / or adjust or regulate the pulse duration at a constant pulse rate. It is also conceivable to influence both pulse duration and pulse rate.
  • the compressor is closed for 2 seconds and kept open for 18 seconds and kept closed for 100 seconds for 100 seconds.
  • a coordination of the bypass valve 26 and the expansion valve 18 via the common control unit 34 may be advantageous.
  • a leading regulation of the expansion valve 18 can be achieved by which the pressure fluctuations in the cooling circuit and thereby ultimately the temperatures in the coolant circuit 12 are largely compensated.
  • a preferred embodiment of the invention relates to a cooling device for printing presses with a primary refrigerant circuit 10 and a secondary cooling water circuit 12, wherein the refrigerant circuit 10 includes a digital scroll compressor using a controller 26, 32 between the states “full power” and “no power is switchable and wherein the controller 34 is at the same time in communication with the expansion valve 18 of the refrigerant circuit 10, such that the switching rhythm of the scroll compressor is coordinated with the regulation of the expansion valve 18.
  • the expansion valve 14 is formed as a continuously variable valve.
  • the expansion valve is preferably an electronically controllable expansion valve.
  • the evaporator 20 is formed as a coaxial heat exchanger and / or as a tube heat exchanger.
  • FIG. 2 a further preferred embodiment is described, in which instead of the previously described electronic expansion valve 18, a mechanical expansion valve 18 is preferably used.
  • the illustrated embodiment has substantially the same components and features as already described with respect to FIG. 1 were described, but in the FIG. 2 not shown again and will not be described again below. For the sake of brevity, only the differences are described below.
  • the mechanical expansion valve 18 is preferably not adjusted and / or regulated as a function of a compressor control, so that the expansion valve is preferably not connected to the control unit via a control line. This has the advantage that 18 costs can be saved by the use of the mechanical expansion valve 18 and by the unnecessary coordination compared to the electronic expansion valve. However, some mechanical valves are through the design of which, when used in a system in which there are pressure fluctuations during operation, as caused by the use of the described digital compressor 14, more susceptible to interference.
  • the pressure fluctuations in the system are caused by the fact that, on disengagement of the scrolls, the inlet side of the compressor is fluidically connected to the outlet side. This allows the two sides communicate essentially freely with each other. As a result, the cooling fluid, which is compressed on the pressure side before the disengagement process, can expand, so that a pressure surge is generated on the inlet side.
  • the pressure differences occurring during operation can easily be three to four bar or more. These pressure surges are transmitted through the evaporator to the expansion valve.
  • a (not shown) check valve may be provided on the inlet side of the compressor, which shields the expansion valve before the pressure surge. It is also conceivable, instead of or in addition to the non-return valve, to have a controllable and / or controllable valve (also not shown), e.g. a shut-off valve, which preferably shuts off shortly before the disengagement process and the refrigerant line to the expansion valve, so that a pressure surge during disengagement is avoidable.
  • a controllable and / or controllable valve also not shown, e.g. a shut-off valve, which preferably shuts off shortly before the disengagement process and the refrigerant line to the expansion valve, so that a pressure surge during disengagement is avoidable.
  • a pressure compensation element 46 is provided, which is preferably provided in the flow direction shortly after the expansion valve.
  • the refrigerant is largely liquid during operation of the cooling device.
  • Such a pressure compensation element 46 may e.g. be designed as a surge tank or as a pressure equalizing tube. As illustrated, such a pressure compensation tube can preferably be soldered perpendicular to a coolant conduit extending between the valve and the refrigerant line. In the area of the upper end of the pressure equalizing tube, a compressible gas cushion can build up and hold over the underlying liquid coolant. The compressible gas cushion can contribute to the desired pressure equalization.

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Abstract

Kühlvorrichtung für Druckmaschinen mit einem Kältekreis (10) und einem Kühlwasserkreis (12), wobei der Kältekreis (10) einen Verdichter (14) mit einem Verdichterantrieb und einen Regler (34) aufweist, wobei der Verdichter derart gestaltet ist, dass die Verdichterleistung des Verdichters (14) unabhängig von der Drehzahl des Verdichterantriebs über den Regler regelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Druckmaschinen mit einem primären Kältekreis und einem sekundären Kühlwasserkreis.
  • Druckmaschinen erzeugen beim Druckprozeß Wärme, die abgeführt werden muß, da sie die Druckqualität negativ beeinflußt. Entsprechend wird beim Drucken eine Kühlung mithilfe eines Feuchtmittels, das für den Offsetdruck verwendet wird, herbeigeführt. Es ist auch bekannt, ein Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser durch das Innere der Druckwalzen oder einiger Druckwalzen zirkulieren zu lassen. Eine weitgehend konstante Kühlmitteltemperatur, deren Schwankungsbreite unterhalb von 1 ° C liegt, kann die Druckqualität sehr günstig beeinflussen.
  • Um eine derart genau konstante Kühlmitteltemperatur zu erreichen, kann zum einen eine Regelung im Kühlwasser selbst erfolgen. Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, bereits in einem Primärkreis, der als Kältekreis ausgebildet ist, eine Regelung durchzuführen.
  • Die Regelung des Kältekreises hat den Vorteil, dass er apparativ im allgemeinen mit geringerem Aufwand möglich ist. Es können drehzahlgeregelte Kompressoren verwendet werden, die allerdings den Nachteil haben, dass sie relativ teure Frequenzumformer benötigen.
  • Kostengünstiger wäre das einfache Ein- und Ausschalten des Kompressors, jedoch begrenzen die Kompressoren-Hersteller im allgemeinen die zulässigen Schaltspiele auf ca. sechs pro Stunde. Da diese geringe Zahl von Schaltspielen zu einer nicht unerheblichen Trägheit der Regelung führen muß, ist zusätzlich ein ausreichend großer Puffertank für das Kühlwasser erforderlich, der Änderungen der Kühlwassertemperatur weitgehend abfängt und zu einer im wesentlichen konstanten Kühlmitteltemperatur beiträgt. Der hierzu benötigte relativ große Tank macht eine Anlage sperrig und teuer, so dass die Fachwelt bestrebt ist, diesen Tank möglichst einzusparen.
  • Es sind in jüngerer Zeit sogenannte Scroll-Verdichter bekannt geworden, deren Verdrängungsraum aus zwei ineinandergreifenden Spiralen besteht. Durch Auseinanderziehen der Spiralen in Axialrichtung kann die Kompressionswirkung schlagartig abgeschaltet werden, ohne dass der Motor des Kompressors abgeschaltet werden muß. Es ist also möglich, einen Scroll-Verdichter problemlos und weitaus häufiger als sechsmal pro Stunde ein- und auszuschalten und so eine Regelung der Kompressorleistung zu erreichen. Diese Regelung, die jeweils von 0 auf 100 erfolgt, ist jedoch relativ grob, so dass es notwendig ist, eine Glättung des Regelungsverlaufs herbeizuführen.
  • Die JP 2005-282937 beschreibt eine Kühlvorrichtung mit einem Kältekreis und einem Kühlmittelkreis, wobei der Kältekreis einen Scrollverdichter mit einem digitalen Umschaltmechanismus aufweist.
  • Die US 2002/112636 A1 beschreibt ein System zur Kontrolle einer Systemtemperatur an einer Rotationsdruckmaschine mit einem Kältekreis und einem Kühlwasserkreis, wobei der Kältekreis einen Verdichter mit einem Verdichterantrieb und einen Regler aufweist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung einer Druckmaschine zu schaffen, die es gestattet, die Kühlmitteltemperatur weitgehend konstant zu halten, ohne dass ein aufwendiger, drehzahlgeregelter Kompressor und/oder ein sperriger und geräumiger Ausgleichstank erforderlich sind.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung entsprechend dem Hauptanspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Druckmaschinen mit einem primären Kältekreis und einem sekundären Kühlwasserkreis, wobei der Kältekreis einen Verdichter mit einem Verdichterantrieb und einen Regler aufweist, wobei der Verdichter derart gestaltet ist, dass die Verdichterleistung des Verdichters unabhängig von der Drehzahl des Verdichterantriebs über den Regler regelbar ist, wobei die Kühlorrichtung ferner einen Verdampfer mit einem Koaxial-Wärmetauscher aufweist. Als Verdichter kommen z.B. Schraubenverdichter, Zahnradpumpen, Kolbenverdichter, Turbinen o.ä. Verdichter in Frage. Eine von der Drehzahl unabhängige Regelung kann z.B. über ein Ausrücken von Pumpelementen erfolgen, welche für die Kompression verwendet werden, welche z.B. bei Scrollverdichtern durch eine feststehende Spirale und eine zweite bewegliche Spirale, bei Schraubenverdichtern durch miteinander kämmende gegenläufig gewendelte Spiralen und bei Zahradpumpen durch miteinander kämmende Zahnräder gebildet werden können. Ebenfalls denkbar ist, dass eine ähnliche Wirkungsweise über einen Unterkreis dadurch erzielt wird, dass die Niederdruckseite des Verdichters steuerbar mit der Druckseite mittels einer Fluidverbindung des Unterkreises verbindbar gestaltet ist, so daß bei bestehender Fluidverbindung zwischen Niederdruckseite und Druckseite bevorzugt kein Druckunterschied oder nur ein geringer Druckunterschied aufbaubar ist. Dies kann bevorzugt z.B über einen zusätzlichen oder alternativ vorgesehenen, über ein Bypassventil gesteuerten Fluidkanal erfolgen, der die Niederdruckseite und die Druckseite des Verdichters miteinander verbindet oder voneinander trennt. Der Begriff Kühlvorrichtung bezeichnet die Anordnung des Kältekreises mit den entsprechenden Bauelementen und kann bevorzugt auch Bauelemente des Kühlwasserkreises aufweisen. Der Koaxial-Wärmetauscher des Verdampfers ist ein sehr masseträchtiger Wärmetauscher. Durch einen solchen Verdampfertyp mit großem Kältemittel- bzw. Kühlmittelvolumen, kann eine weitere Glättung der Temperatur im Sekundärkreis erreicht werden.
  • Durch diese drehzahlunabhängige Regelung wird bevorzugt ein gepulster Fluidstrom erzeugt. Die Verdichterleistung also die Förderleistung hängt dabei von Pulsdauer und Pulsfrequenz ab. Über eine im Verhältnis zur Dauer zwischen zwei Pulsen niedrige Pulsdauer kann ein Verdichter bevorzugt stetig zwischen 10% und 100% der maximalen Förderleistung bevozugter zwischen 5% und 100% und am bevorzugtesten zwischen 0% und 100% der maximalen Förderleistung, geregelt werden. Darin liegt der Vorteil eines derartigen Verdichters, der allein durch eine Regelung einer Antriebsdrehzahl nicht oder nur unter großem Aufwand erzielbar wäre. Bei einem bevorzugten Verdichter kann eine Regelung der Antriebsdrehzahl aber zusätzlich zur gepulsten Drehzahlregelung Verwendung finden.
  • Bei einer bevorzugten Kühlvorrichtung steht der Regler zugleich mit einem Entspannungsventil des Kältekreises derart in Verbindung, dass die Regelung des Verdichters mit der Regelung des Entspannungsventils koordinierbar ist.
  • Ferner ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung bevorzugt derart gestaltet, dass der Kältekreis einen digitalen Scroll-Verdichter enthält, der mithilfe eines Reglers zwischen den Schaltzuständen "volle Leistung" und "keine Leistung" umschaltbar ist und dass der Regler zugleich mit dem Entspannungsventil des Kältekreises in Verbindung steht, derart, dass der Schaltrythmus des Scroll-Verdichters mit der Regelung des Entspannungsventils koordiniert wird.
  • Ferner ist es bevorzugt eine Vorrichtung mit einer Kombination aus einem oben beschriebenen drehzahlunabhängig regelbaren Verdichter, also z.B. einem digitalen Scrollverdichter, und einem Permanent-Verdichter bereit zu stellen. Ein Permanent-Verdichter ist ein herkömmlicher Verdichter, bei dem sich die die Verdichterleistung des Permanent-Verdichters im Wesentlichen nur von der Drehzahl des Verdichterantriebs des Permanent-Scroll-Verdichters abhängt. Ein derartiger herkömmlicher Permanent-Verdichter ist daher nur über den Verdichterantrieb regelbar, also z.B. über die Drehzahl und/oder das Verhältnis einer Ein- und Ausschaltdauer des Verdichterantriebs. Eine Kombination aus drehzahlunabhängig regelbaren Verdichter(n) und Permanent-Verdichter(n) hat den Vorteil, dass herkömmliche Verdichter günstiger sind als z.B. digitale Verdichter der gleichen Größe und Bauart. Über eine geeignete Kombination der beiden Verdichterarten kann eine Regelung über den gesamten erforderlichen Regelbereich erzielt werden, wobei eine Feinregelung (insbesondere im Bereich knapp oberhalb von 0% der maximalen Gesamtverdichterleistung) bevorzugt über den drehzahlunabhängig regelbaren Verdichter, also z.B. den digitalen Scrollverdichter, erfolgt und die Grobregelung über Hinzuschalten oder Abschalten eines oder mehrerer herkömmlicher Verdichter erfolgt. Zu diesem Zweck werden die Verdichter bevorzugt parallel geschaltet.
  • Durch abgestimmte Regelung des Scroll-Verdichters und des Entspannungsventils im Kältekreis kann der Temperaturverlauf im Verdampfer wesentlich geglättet werden. Wenn der Scroll-Verdichter beispielsweise in einem festgesetzten Zeittakt ein- und ausgeschaltet wird, kann dieser Zeittakt bei der Regelung des Entspannungsventils berücksichtigt werden. Dabei wird das Entspannungsventil vorzugsweise gebildet durch ein stufenlos regelbares elektronisches Ventil. Dadurch kann das Entspannungsventil sehr fein und jeweils unter Berücksichtigung des gegenwärtigen und des folgenden Schaltzustandes des Scroll-Verdichters geregelt werden.
  • Ferner bevorzugt ist eine Ausführung des Entspannungsventils als mechanisches Ventil. Ein derartiges mechanisches Ventil kann bevorzugt unabhängig von der Regelung des Verdichters vorgesehen und/oder eingestellt werden, also ohne die oben beschriebene Koordinierung zwischen Verdichter und Ventil. Sowohl bei Verwendung eines elektronischen Ventils als auch insbesondere bei Verwendung eines mechanischen Ventils, ist bevorzugt in Strömungsrichtung hinter dem Entspannungsventil zwischen dem Entspannungsventil und dem Verdichter ein Druckausgleichselement vorzusehen, durch das Druckspitzen auf der Niederdruckseite des Verdichters ausgleichbar sind. Dies hat den Vorteil dass Druckspitzen, welche auf der Niederdruckseite auftreten können und welche insbesondere für eine Membran eines mechanischen Ventils nachteilig sein können, verringert oder vermieden werden können. Ein derartiges Druckausgleichselement kann z.B. als Ausgleichsbehälter oder als Druckausgleichsrohr ausgebildet werden. Ein Druckausgleichsrohr kann an einer Kältemittelleitung angeordnet sein, die sich zwischen dem Entlastungsventil und dem Verdichter erstreckt, wobei sich das Druckausgleichsrohr von der Kältemittelleitung nach oben erstreckt kann. Ein derartiges Druckausgleichsrohr kann bevorzugt senkrecht auf eine sich zwischen Ventil und Kältemittelleitung erstreckende Käletmittelleitung aufgelötet werden. Im Bereich des oberen Endes des Druckauslgleichsrohr kann sich ein kompressibles Gaspolster aufbauen und halten und zu dem angestrebten Druckausgleich beitragen.
  • Die Erfindung ermöglicht eine relativ preiswerte Lösung des Temperierungsproblems bei Druckmaschinen. Insbesondere kann auf der Sekundärseite ein großer Puffertank für das Kühlmittel eingespart werden, und damit verringert sich auch die Menge des benötigten Kühlwassers. Im übrigen entfallen die Entsorgungskosten für eine größere Menge Kühlwasser, und schließlich kann die Peripherie einer Druckanlage, zu der insbesondere auch das Kühlsystem gehört, erheblich vereinfacht und verbilligt werden.
  • Im Folgenden werden einzelne besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um die vorliegende Erfindung auszuführen, die aber im Allgemeinen als bevorzugt angesehen werden. So sollen auch Ausführungsformen als unter die Lehre der Erfindung fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Genauso ist es denkbar, Merkmale, die in Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben werden, selektiv miteinander zu kombinieren.
    • Figur 1 ist ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
    • Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem mechanischen Entspannungsventil und einem Druckausgleichselement.
  • In Figur 1 ist auf der rechten Seite ein Kältekreis 10 und auf der linken Seite ein Kühlmittelkreis 12 gezeigt. Als Kühlmittel innerhalb des Kühlmittelkreises kommt insbesondere Wasser in Betracht.
  • Der Kältekreis umfaßt einen Kompressor oder Verdichter 14, der einen (nicht gesondert dargestellten) Verdichterantrieb, z.B. in Form eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors, aufweist und der bevorzugt Bestandteil des Verdichters 14 ist, einen Kondensator 16, ein Entspannungsventil 18 und einen Verdampfer 20, die in der genannten Reihenfolge in einem Kreis angeordnet sind. Mit 22 ist ein Sammelbehälter für die kondensierte Flüssigkeit bezeichnet, der eine gewisse Pufferfunktion im Kältekreis ausübt.
  • Ein Unterkreis 24 verbindet die Ausgangsseite mit der Eingangsseite des Kompressors. Der Unterkreis 24 enthält ein Bypassventil 26.
  • Wenn das Bypassventil 26 geöffnet wird, wird das Kältemittel, das den Kompressor 14 in komprimiertem Zustand verläßt, zum Auseinanderdrücken der beiden Spiralen verwendet. Der Kompressor läuft in diesem Stadium ohne Leistung.
  • Der Unterkreis 24 symbolisiert also die Funktion eines sogenannten Scroll-Verdichters oder Scroll-Kompressors. Ein Scroll-Verdichter weist eine Verdrängerkammer auf, die durch zwei ineinandergreifende Spiralen gebildet wird. Wenn die beiden Gehäuseteile axial auseinandergezogen werden, wird die Kompressionswirkung schlagartig unterbrochen. Dieser Schaltvorgang kann beliebig oft und in einem beliebigen Zeittakt erfolgen. Es ist daher möglich, den Verdichter 14 so zu steuern, dass er in einem vorgegebenen Puls-Pausenverhältnis ein- und ausgeschaltet wird. Diese Arbeitsweise ist bei einem üblichen Kompressor deshalb nicht möglich, weil das Ein- und Ausschalten mit Rücksicht auf die erwünschte Lebensdauer nur mit Einschränkungen möglich ist, wie eingangs ausgeführt wurde.
  • Stromabwärts des Verdampfers 20 befindet sich ein Temperaturfühler 28 in dem Kältekreis. Die Bewegungsrichtung des Kältemittels in dem Kältekreis ist durch Pfeile gekennzeichnet.
  • Das Expansionsventil 18, das Bypassventil 26 und der Temperaturfühler 28 sind über Steuerleitungen 30, 32 mit einer Regeleinheit 34 verbunden.
  • Bevor die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Kältekreis-Steuerung dargestellt wird, soll zunächst der Kühlmittelkreis 12 kurz erläutert werden. In dem als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 20 kommt es zu einem Wärmeaustausch zwischen dem verdampfenden Kältemittel und dem Kühlwasser im Kühlmittelkreis. In diesem Kühlmittelkreis befindet sich im übrigen ein Pufferbehälter 36 und ein Temperatursensor 38 vor der symbolisch angedeuteten Druckwalze 40 und einer optionalen Heizeinrichtung 42 sowie eine Umwälzpumpe 44 hinter der Druckwalze 40 zwischen dieser und dem Verdampfer-Wärmetauscher 20. Die Druckwalze 40 steht symbolisch für die kühlbedürftigen Verbrauchsstellen einer Druckmaschine. Die Heizeinrichtung 42 ist für den Fall vorgesehen, dass der Kühlmittelstrom in dem Kühlmittelkreis 12 auf eine zu niedrige Temperatur abgefallen ist. Der Temperatursensor 38 kontrolliert die Temperatur des Kühlmittels.
  • Erfindungsgemäß soll jedoch die Temperaturregelung in erster Linie im Primärkreis, also in dem Kältekreis 10 erfolgen.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, ist der Kompressor 14 bevorzugt ein Scroll-Verdichter oder Scroll-Kompressor sein, insbesondere ein digitaler Scroll-Verdichter. Die Besonderheit eines digitalen Scroll-Verdichters besteht in der Regelbarkeit der beiden Spiralen, die zur Kältemittelkomprimierung verwendet werden. Die beiden Spiralen können dabei bevorzugt in axialer Richtung auseinandergerückt werden und ermöglichen es auf diese Weise, die Kompressionsleistung ein- und auszuschalten, ohne dass der Antriebsmotor ausgeschaltet werden muß. Die beiden Spiralen können dabei bevorzugt entweder auseinandergerückt werden und liefern in diesem Fall keine Leistung, oder sie können zusammengeschoben und zusammengehalten werden und liefern dann die maximale Kompressionsleistung. Es handelt sich also im Wesentlichen um eine reine Ja-Nein-Regelung, so dass man von einem digitalen Verdichter sprechen kann. Die Leistungsregelung kann durch Puls-Weitenmodulation erfolgen, bei der das Verhältnis der Ein- und Aus-Phasen des Kompressors bzw. die Pulsdauer und die Pulsfrequenz variiert wird. Dabei ist denkbar, bei gleichbleibender Pulsdauer die Pulsfrequenz einzustellen bzw. zu regeln und/oder bei gleichbleibender Pulsfrequenz die Pulsdauer einzustellen bzw. zu regeln. Denkbar ist auch eine Beeinflussung sowohl von Pulsdauer als auch von Pulsfrequenz.
  • Zum Beispiel wird, um eine zehnprozentige Leistung zu erzielen, bei einem 10 Sekunden Takt 1 Sekunde gefördert und 9 Sekunden pausiert. Demnach wird im Verdampfer nur 1 Sekunde gekühlt und 9 Sekunden nicht gekühlt. Dadurch können unerwünscht hohe Temperaturschwankungen auf der Kühlwasserseite erzeugt werden. Dies soll vermieden werden. Dies geschieht bevorzugt durch eine Koordinierung des elektronischen Ventils mit dem Scroll Verdichter. Zum Beispiel wird das elektronische Ventil voreilend schon kurz vor der Kompressionsphase des Verdichters geöffnet.
  • Bei einem anderen Beispiel wird bei einem Schaltzyklus von 20 Sekunden bzw. bei der sich daraus ergebenden Pulsfrequenz für 10% der Kälteleistung der Kompressor für 2 Sekunden geschlossen und 18 Sekunden offengehalten und für 100% der Leistung 20 Sekunden geschlossen gehalten.
  • Eine vergleichbare Regelung kann bei einem digitalen Scroll-Verdichter aber auch auf andere bereits genannte Kompressortypen Anwendung finden.
  • Insbesondere, wenn diese Art der digitalen Regelung mit der Regelung des Entspannungsventils 18 koordiniert wird, ist eine sehr feine und stetige Regelung des Kältekreises möglich, der es letztlich gestattet, die Kühlwassertemperatur unterhalb einer Hysterese von 1 ° C zu halten.
  • Ferner kann eine Koordination des Bypassventils 26 und des Entspannungsventils 18 über die gemeinsame Regeleinheit 34 von Vorteil sein. So kann z.B. bei richtiger Ausführung eine voreilende Regelung des Entspannungsventils 18 erreicht werden, durch das die Druckschwankungen im Kältekreis und dadurch letztlich die Temperaturen im Kühlmittelkreis 12 weitgehend ausgeglichen werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Druckmaschinen mit einem primären Kältekreis 10 und einem sekundären Kühlwasserkreis 12, wobei der Kältekreis 10 einen digitalen Scroll-Verdichter enthält, der mithilfe eines Reglers 26, 32 zwischen den Schaltzuständen "volle Leistung" und "keine Leistung" umschaltbar ist und wobei der Regler 34 zugleich mit dem Entspannungsventil 18 des Kältekreises 10 in Verbindung steht, derart, dass der Schaltrythmus des Scroll-Verdichters mit der Regelung des Entspannungsventils 18 koordiniert wird.
  • Bevorzugt ist bei einer derartigen Vorrichtung das Entspannungsventil 14 als stufenlos regelbares Ventil ausgebildet. Dabei ist das Entspannungsventil bevorzugt ein elektronisch regelbares Entspannungsventil.
  • Ferner bevorzugt ist bei einer derartigen Vorrichtung der Verdampfer 20 als Koaxial-Wärmetauscher und/oder als Rohr-Wärmetauscher ausgebildet.
  • In Figur 2 wird eine weiter bevorzugte Ausführungsform beschrieben, bei der anstelle des bisher beschriebenen elektronischen Entspannungsventils 18 bevorzugt ein mechanisches Entspannungsventil 18 Verwendung findet. Die dargestellte Ausführungsform weist im wesentlichen dieselben Baugruppen und Merkmale auf, wie sie bereits in Bezug auf Figur 1 beschrieben wurden, die aber in der Figur 2 nicht noch einmal dargestellt und nachfolgend auch nicht noch einmal beschrieben werden. Um der Kürze willen werden im Folgenden nur die Unterschiede näher beschrieben.
  • Das mechanische Enstpannungsventil 18 wird bevorzugt nicht in Abhängigkeit von einer Verdichtersteuerung eingestellt und/oder geregelt, so dass das Entspannungsventil bevorzugt nicht über eine Steuerleitung mit der Regeleinheit verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass durch die Verwendung des mechanischen Entspannungsventil 18 und durch die nicht erforderliche Koordinierung im Vergleich zum elektronischen Entspannungsventil 18 Kosten gespart werden können. Allerdings sind manche mechanischen Ventile durch deren Bauart bedingt bei Einsatz in einem System, in dem im Betrieb Druckschwankungen herrschen, wie sie durch den Einsatz der beschriebenen digitalen Verdichter 14 hervorgerufen werden, anfälliger für Störungen.
  • Die Druckschwankungen im System insbesondere bei einem Ausrücken des digitalen Scroll-Verdichters dadurch hervorgerufen werden, dass beim Ausrücken der Spiralen die Einlassseite des Verdichters mit der Auslassseite strömungsmechanisch verbunden wird. Dadurch können die beiden Seiten im wesentlichen frei miteinander kommunizieren. Dadurch kann sich das Kühlfluid, welches vor dem Ausrückvorgang druckseitig komprimiert vorliegt, ausdehnen, so dass auf der Einlassseite ein Druckstoss erzeugt wird. Die im Betrieb auftretenden Druckdifferenzen können ohne Weiteres drei bis vier bar oder mehr betragen. Diese Druckstöße werden durch den Verdampfer auf das Entspannungsventil übertragen.
  • Bevorzugt kann daher ein (nicht dargestelltes) Rückschlagventil auf der Einlassseite des Verdichters vorgesehen werden, welches das Entspannungsventil vor dem Druckstoss abschirmt. Ferner denkbar ist, anstelle oder zusätzlich zum Rückschlagventil ein (ebenfalls nicht dargestelltes) steuer-und/oder regelbares Ventil, z.B. ein Absperrventil, vorzusehen, welches bevorzugt kurz vor dem Ausrückvorgang und die Kältemittelleitung zum Entspannungsventil hin absperrt, so dass ein Druckstoss beim Ausrücken vermeidbar ist.
  • Anstelle dieser Ausführungsformen ist in Figur 2 ein Druckausgleichselement 46 vorgesehen, das bevorzugt in Strömungsrichtung kurz hinter dem Entspannungsventil vorgesehen ist. In diesem Bereich liegt das Kältemittel im Betrieb der Kühlvorrichtung größtenteils flüssig vor. Druckstöße auf der Niederdruckseite der Kühlvorrichtung, die in diesem Bereich in dem flüssigen und daher nur gering kompressiblen Medium übertragen werden, wirken sich daher besonders stark aus. Daher ist es vorteilhaft, diese Druckstöße bevorzugt kurz hinter dem Entlastungsventil abzuschwächen oder vollständig auszugleichen.
  • Ein derartiges Druckausgleichselement 46 kann z.B. als Ausgleichsbehälter oder als Druckausgleichsrohr ausgebildet werden. Ein derartiges Druckausgleichsrohr kann, wie dargestellt, bevorzugt senkrecht auf eine sich zwischen Ventil und Kältemittelleitung erstreckende Käletmittelleitung bevorzugt aufgelötet werden. Im Bereich des oberen Endes des Druckauslgleichsrohr kann sich ein kompressibles Gaspolster über dem darunter befindlichen flüssigen Kühlmittel aufbauen und halten. Das kompressible Gaspolster kann zu dem angestrebten Druckausgleich beitragen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kältekreis
    12
    Kühlwasserkreis
    14
    Verdichter
    16
    Kondensator
    18
    Entspannungsventil
    20
    Verdampfer
    22
    Sammelbehälter
    24
    Unterkreis
    26
    Bypassventil
    28
    Temperaturfühler
    30
    Steuerleitung
    32
    Steuerleitung
    34
    Regler
    36
    Pufferbehälter
    38
    Temperatursensor
    40
    Druckwalze
    42
    Heizeinrichtung
    44
    Umwälzpumpe
    46
    Druckausgleichselement

Claims (14)

  1. Kühlvorrichtung für Druckmaschinen mit einem Kältekreis (10) und einem Kühlwasserkreis (12), wobei der Kältekreis (10) einen Verdichter (14) mit einem Verdichterantrieb und einen Regler (34) aufweist, wobei der Verdichter derart gestaltet ist, dass die Verdichterleistung des Verdichters (14) unabhängig von der Drehzahl des Verdichterantriebs über den Regler regelbar ist, wobei die Kühlvorrichtung ferner einen Verdampfer (20) umfasst, gekennzeichnet dadurch, dass der Verdampfer (20) einen Koaxial-Wärmetauscher aufweist.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Regler (34) zugleich mit einem Entspannungsventil (18) des Kältekreises (10) in Verbindung steht, derart, dass die Regelung des Verdichters (14) mit der Regelung des Entspannungsventils (18) koordinierbar ist.
  3. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (14) ein digitaler Verdichter ist, der mithilfe des Reglers (34) zwischen den Schaltzuständen "volle Leistung" und "keine Leistung" umschaltbar ist.
  4. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der digitale Verdichter ein digitaler Scroll-Verdichter oder ein digitaler Schraubenverdichter ist.
  5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Regelung des Verdichters (14) und die Regelung des Entspannungsventils (18) derart koordiniert werden, dass der Schaltrythmus des Verdichters (14) mit der Regelung des Entspannungsventils (18) koordiniert wird.
  6. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entspannungsventil (18) ein elektronisches Ventil oder ein mechanisches Ventil ist.
  7. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Strömungsrichtung hinter dem Entspannungsventil (18) zwischen dem Entspannungsventil (18) und dem Verdichter (14) ein Druckausgleichselement. (46) vorgesehen ist.
  8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Druckausgleichselement (46) als Ausgleichsbehälter, insbesondere als Druckausgleichsrohr, ausgebildet ist.
  9. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entspannungsventil (18) als stufenlos regelbares Ventil ausgebildet ist.
  10. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer (20) einen Rohr-Wärmetauscher aufweist.
  11. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ferner einen zweiten Verdichter aufweist.
  12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der zweite Verdichter einen Permanent-Verdichter aufweist.
  13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Permanent-Verdichter einen Scroll-Verdichter und/oder einen Schraubenverdichter aufweist.
  14. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Permanent-Verdichter parallel zum (ersten) Verdichter (14) angeordnet ist.
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