ITBS20130135A1

ITBS20130135A1 - Metodo e apparato di termoregolazione di uno stampo

Info

Publication number: ITBS20130135A1
Application number: IT000135A
Authority: IT
Inventors: Mauro Inverardi
Original assignee: I E C I Di Inverardi Mauro
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-04-02
Also published as: CN105722622B; US20160243613A1; EP3052260A1; US10183328B2; WO2015049618A1; CN105722622A; EP3052260B1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un metodo di termoregolazione di uno stampo, in particolare uno stampo per la pressofusione, ed un apparato di termoregolazione adatto ad implementare tale metodo. Come noto, uno stampo richiede per il suo corretto funzionamento di essere portato in temperatura prima di ogni ciclo di stampaggio e di essere raffreddato al termine di ogni ciclo di stampaggio. Per questo, ogni stampo è provvisto di canali in cui viene fatto scorrere un fluido di termoregolazione, ad esempio olio o acqua. Il fluido di termoregolazione è fatto circolare da un apparato di termoregolazione che comprende una pompa e mezzi di riscaldamento e/o raffreddamento del fluido, ad esempio a resistenze elettriche e scambiatori di calore. La pompa comanda la mandata del fluido nello stampo e il ritorno del fluido dallo stampo, chiudendo un circuito di termoregolazione.

È noto inoltre che la curva di carico del circuito di termoregolazione, cioè la curva di massimo rendimento della termoregolazione, lega la pressione e la portata secondo una relazione che può essere approssimata dalla formula

p = kv<x>

dove p è la pressione del fluido di termoregolazione, k è una costante pari a 0,069, v è la portata e l’esponente x varia tipicamente tra 1,5 e 2.

La curva caratteristica di funzionamento di una pompa è invece descritta da una relazione quasi lineare inversa che lega la portata e la pressione della pompa. In base a tale relazione, all'aumentare della pressione diminuisce la portata.

L'intersezione delle due curve identifica il punto di lavoro a regime della pompa con massimo rendimento.

Fino ad oggi la termoregolazione di uno stampo viene effettuata agendo sulla portata del fluido di termoregolazione. Ad esempio, se si rende necessario asportare un picco di calore dallo stampo viene aumentata la portata per far circolare una maggiore quantità di fluido. All’aumento della portata corrispondente tuttavia un aumento della pressione, secondo la curva di carico sopra citata.

Un eccessivo aumento della pressione, tuttavia, porta la pompa a lavorare in una zona di sofferenza caratterizzata da alte pressioni e basse portata, fino a generare dannosi fenomeni di cavitazione.

Per ovviare ad un tale inconveniente, attualmente si cerca di spostare il punto di funzionamento lungo la curva caratteristica della pompa introducendo un circuito idraulico di by-pass che collega il circuito di mandata al circuito di ritorno senza passare attraverso lo stampo. In pratica, il circuito di bypass fornisce uno sfogo che permette di salvare la pompa dal rischio di danneggiamento della girante dovuto alla cavitazione.

Un tale accorgimento, tuttavia, fa lavorare il circuito di termoregolazione in un punto di funzionamento che non appartiene più alla curva di massimo rendimento, con conseguente perdita di efficienza e spreco energetico. Infatti, l’energia impiegata nella termoregolazione solo parzialmente viene utilizzata allo scopo di termoregolare lo stampo; una parte dell’energia che fluisce nel circuito di by-pass non contribuisce al trasferimento energetico allo stato, nonostante l’energia elettrica rimanda invariata.

Scopo della presente invenzione è quello di proporre un metodo di termoregolazione ed un relativo apparato che siano in grado di ovviare ai sopracitati inconvenienti della tecnica nota e che permettano in particolare di ottenere un’efficace ed uniforme termoregolazione di uno stampo.

Detto scopo è conseguito con un metodo di termoregolazione secondo la rivendicazione 1 e con un apparato di termoregolazione secondo la rivendicazione 8. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.

Le caratteristiche e i vantaggi del metodo e dell’apparato di termoregolazione secondo l’invenzione risulteranno comunque evidenti dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:

- La figura 1 è uno schema a blocchi che rappresenta il metodo di termoregolazione secondo l’invenzione;

- La figura 2 illustra un diagramma pressioneportata relativo a diverse curve di carico di un circuito e ad una pompa operante con diverse frequenze di lavoro; e

- La figura 3 è uno schema idraulico di un apparato di termoregolazione secondo l’invenzione.

Con riferimento in particolare alla figura 1, in una forma generale di realizzazione il metodo di termoregolazione di uno stampo 10 impiega una pompa 12 adatta ad immettere nello stampo 10 un fluido di termoregolazione, ad esempio olio o acqua. Il metodo di termoregolazione prevede di impostare una pressione di set-point Pspper detto fluido di termoregolazione, detta pressione di set-point essendo scelta in modo tale da far funzionare la pompa in un regime di massima efficienza. Ad esempio, detta pressione di set-point Psp è di circa 2,5 bar.

Il metodo di termoregolazione prevede inoltre di rilevare la caduta di pressione del circuito in cui circola il fluido di termoregolazione e di effettuare un controllo in retroazione della pressione della pompa 12 in modo tale da annullare la differenza tra detta pressione di set-point e detta caduta di pressione.

Nel caso usuale di stampo non pressurizzato, la caduta di pressione corrisponde di fatto alla pressione di mandata Pm del fluido di termoregolazione nello stampo. In caso di stampo pressurizzato, la caduta di pressione sarà pari alla differenza tra la pressione di mandata del fluido nello stampo e la pressione di ritorno del fluido in uscita dallo stampo.

Per circuito si intende il percorso del fluido di termoregolazione attraverso il circuito di mandata che collega la pompa allo stampo, il circuito di ritorno che collega lo stampo alla pompa, e l’insieme dei canali dello stampo in cui scorre il fluido.

Nella pratica, la pompa può essere alimentata elettronicamente da un inverter, e il controllo in retroazione della pressione della pompa comprende una regolazione del numero di giri n della pompa per il tramite di detto inverter, cioè viene variata la velocità di rotazione del motore regolando la frequenza di alimentazione.

Pertanto, in accordo con un aspetto dell’invenzione, si cerca di mantenere costante la pressione di set-point Psp andando a modificare la curva caratteristica della pompa in funzione delle reali richieste di carico del circuito. In altre parole, contrariamente a quanto avviene attualmente, è la pompa che si adatta al circuito e non viceversa.

Un esempio di un tale metodo di controllo adattativo, cioè che si adatta alla curva di carico del circuito, è rappresentato nel diagramma pressione-portata di figura 2. In tale diagramma sono rappresentate tre curve di carico del circuito, c1, c2 e c3 e la curva caratteristica di una pompa a diverse frequenze di funzionamento del motore. Fissata una pressione di setpoint Psp che permette alla pompa di lavorare in un regime di massima efficienza, a seconda della curva di carico del circuito in cui si trova inserita la pompa si varia la frequenza di alimentazione del motore della pompa in modo tale che la curva della pompa a quella frequenza di alimentazione intercetti la curva di carico alla pressione di set-point Psp.

Se la curva di carico del circuito dovesse modificarsi, ad esempio a causa di un’ostruzione, mezzi di rilevazione della caduta di pressione del circuito rilevano una tale modifica e la frequenza di alimentazione del motore della pompa viene regolata di conseguenza in modo da spostare la curva caratteristica della pompa. La nuova curva del circuito e la caratteristica della pompa alla nuova velocità di rotazione del motore continuano in tale modo ad intersecarsi ad un valore di pressione corrispondente alla pressione di set-point.

Nel caso sia richiesto al circuito di termoregolazione uno scambio termico con lo stampo più importante rispetto a quello ottenibile con il fluido alla portata corrispondente alla pressione di set-point sulla curva di carico del circuito, ad esempio nei transitori, entra in gioco l’anello di controllo esterno nello schema di controllo della figura 1, basato sul monitoraggio della differenza di temperatura ∆T tra la temperatura di mandata del fluido in ingresso allo stampo e la temperatura di ritorno del fluido in uscita dallo stampo.

Come verrà descritto nel prosieguo, tale algoritmo di controllo si basa sul concetto che, oltre una certa portata del fluido di termoregolazione, la quantità di calore scambiata tra il fluido e lo stampo non dipende più dalla portata ma dalla temperatura del fluido.

Infatti, se T1 è la temperatura di mandata del fluido di termoregolazione, T2 la temperatura di ritorno, m la portata in massa e q la potenza termina scambiata, e Cpil calore specifico, si ha che:

q = Cp* m * (T2-T1) = Cp* m * ∆T

In un modello semplificato, a parametri concentrati, dello stampo, in cui si possono definire RSCla resistenza di scambio termico tra stampo e canali, RCFla resistenza di scambio termico tra canali e fluido di termoregolazione e RCAla resistenza di scambio termico tra canali e ambiente, e in cui si può assumere una temperatura dello stampo Ts uniforme e costante nel tempo, si ha che:

q = q0– TF/RF,

dove

RF= RCF+ RSC//RCAe

TF= (T1+T2)/2

Risolvendo:

q = [2*m*cp/(2*m*cp*RF-1)] * (RF+q0-T1)

se 2*m*cp*RF>> 1

allora

q ≈ q0– T1/RF

cioè la potenza termica asportata dallo stampo non dipende dalla portata.

La condizione:

m >> 1/(2 * cp* RF)

definisce una condizione di corretta termoregolazione. Approssimando RF a RSF e assumendo che i canali di condizionamento dello stampo siano stati progettati adeguatamente, questa condizione può essere riscritta come:

∆T << Ts-T1

Nella pratica e con buona approssimazione la condizione viene rispettata quando:

∆T ≤ (TS– T1)/5

Ad esempio, TS= 350 °C, T1= 150 °C, ∆T ≤ 40 °C Pertanto, in condizioni di corretta termoregolazione: - la temperatura dello stampo dipende essenzialmente dalla temperatura del fluido e non dallo stampo;

- la differenza di temperatura tra mandata e ritorno è piccola e quindi si ottiene uniformità di temperatura sui canali;

- il monitoraggio della differenza di temperatura tra mandata e ritorno è sufficiente per garantire la condizione di corretta termoregolazione.

In altre parole, se ∆T ≤ (TS– T1)/5, ovvero è pari o inferiore ad un valore di temperatura prestabilito, ad esempio in un range tra 10 °C e 40 °C, vuol dire che la portata del fluido è sufficiente a garantire una corretta termoregolazione; se invece la differenza di temperatura ∆T supera tale valore di soglia di temperatura, allora è necessario aumentare la pressione e quindi la portata.

In accordo con un ulteriore aspetto dell’invenzione, il metodo di termoregolazione prevede di rilevare la temperatura di mandata del fluido di termoregolazione nello stampo e di rilevare la temperatura di ritorno del fluido di termoregolazione in uscita dallo stampo. Se la differenza di temperatura ∆T tra la temperatura di ritorno e la temperatura di mandata supera un valore di soglia prestabilito, calcolato come descritto sopra, viene modificato il valore della pressione di set-point Psp in modo da riportare detta differenza di temperatura al di sotto del valore di soglia.

In altre parole, in presenza di un superamento di detto valore soglia di temperatura viene comandata la pompa in modo da aumentare la pressione, e quindi la portata del fluido di termoregolazione, fino a riportare la differenza di temperatura al di sotto di detto valore soglia di temperatura.

In questo caso, la curva caratteristica della pompa traslerà verso l’alto senza che il punto di lavoro si allontani dalla curva di carico del circuito, garantendo quindi anche in questo caso il massimo rendimento della termoregolazione.

In figura 3 è mostrato un esempio di realizzazione di un apparato che implementa il metodo di termoregolazione sopra descritto.

L’apparato comprende una pompa 12 per la mandata di un fluido di termoregolazione nello stampo ed un’unità elettronica di controllo 14 della pompa 12, ad esempio un PLC. In una forma di realizzazione, l’unità di controllo agisce su un inverter che alimenta il motore della pompa, controllando la frequenza di alimentazione secondo l’algoritmo sopra descritto.

L’apparato comprende inoltre mezzi di raffreddamento 16 del fluido di termoregolazione, posti preferibilmente lungo il circuito di ritorno che collega lo stampo alla pompa e realizzati ad esempio con uno scambiatore olioacqua.

L’apparato comprende inoltre mezzi di riscaldamento 18 del fluido di termoregolazione, posti preferibilmente lungo il circuito di ritorno che collega la pompa 12 allo stampo 10 e realizzati ad esempio con resistenze elettriche.

L’apparato comprende inoltre mezzi di rilevazione 20 della caduta di pressione del circuito in cui circola il fluido di termoregolazione e mezzi di rilevazione della temperatura 22, 24 di mandata fluido e della temperatura di ritorno del fluido, rispettivamente.

Come si può notare, non è presente alcun circuito di by-pass.

Alle forme di realizzazione del metodo e dell’apparato di termoregolazione secondo l’invenzione un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di termoregolazione di uno stampo, comprendente le fasi di: - mettere a disposizione una pompa adatta ad immettere nello stampo un fluido di termoregolazione; - impostare una pressione di set-point per detto fluido di termoregolazione, detta pressione di set-point essendo scelta in modo tale da far funzionare la pompa in un regime di massima efficienza; - rilevare la caduta di pressione del circuito in cui circola il fluido di termoregolazione; - effettuare un controllo in retroazione della pressione della pompa in modo tale da annullare la differenza tra detta pressione di set-point e detta caduta di pressione.
2. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui detta caduta di pressione del circuito corrisponde alla pressione di mandata del fluido di termoregolazione nello stampo.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la pompa è alimentata da un inverter, e in cui detto controllo in retroazione della pressione della pompa comprende una regolazione del numero di giri della pompa per il tramite di detto inverter.
4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente le fasi di: - rilevare la temperatura di mandata del fluido di termoregolazione nello stampo; - rilevare la temperatura di ritorno del fluido di termoregolazione in uscita dallo stampo; - se la differenza di temperatura tra la temperatura di ritorno e la temperatura di mandata supera un valore di soglia prestabilito, modificare il valore della pressione di set-point in modo da riportare detta differenza di temperatura al di sotto di detto valore di soglia.
5. Metodo di termoregolazione di uno stampo, comprendente le fasi di: - mettere a disposizione una pompa adatta ad immettere nello stampo un fluido di termoregolazione; - rilevare la temperatura di mandata del fluido di termoregolazione nello stampo; - rilevare la temperatura di ritorno del fluido di termoregolazione in uscita dallo stampo; - comandare la pompa in modo tale che la differenza di temperatura tra la temperatura di ritorno e la temperatura di mandata sia pari o inferiore ad un valore di soglia di temperatura prestabilito.
6. Metodo secondo la rivendicazione precedente, in cui, in presenza di un superamento di detto valore soglia di temperatura viene comandata la pompa in modo da aumentare la pressione e/o la portata del fluido di termoregolazione fino a riportare la differenza di temperatura al di sotto di detto valore soglia di temperatura.
7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-6, in cui, definito ∆T detto valore soglia di temperatura, allora ∆T ≤ (TS-T1)/5 dove TSè la temperatura dello stampo da termoregolare e T1è la temperatura di mandata del fluido di termoregolazione.
8. Apparato di termoregolazione di uno stampo, comprendente: - una pompa per la mandata di un fluido di termoregolazione nello stampo; - un’unità elettronica di controllo della pompa; - mezzi di raffreddamento e/o mezzi di riscaldamento del fluido di termoregolazione; - mezzi di rilevazione della caduta di pressione del circuito in circola il fluido di termoregolazione; - mezzi di rilevazione della temperatura di mandata del fluido e della temperatura di ritorno del fluido, in cui detta unità elettronica di controllo è programmata per attuare un metodo di termoregolazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
9. Apparato secondo la rivendicazione precedente, in cui la pompa è alimentata elettronicamente da un inverter controllato da detta unità elettronica di controllo.