ITPC20100016A1 - Organo rotante raffreddato, in particolare di macchine utensili - Google Patents

Description

ORGANO ROTANTE RAFFREDDATO, IN PARTICOLARE DI MACCHINE UTENSILI

La presente invenzione concerne un organo rotante raffreddato, e in particolare un organo rotante di macchine utensili, come ad esempio mandrini, elettromandrini, motori elettrici o alberi in genere.

Quasi tutti gli apparati che possiedono organi in movimento sviluppano una certa quantità di calore. In una macchinario come una macchina utensile, le principali cause di generazione di calore sono dovute agli attriti fra gli organi rotanti (alberi/supporti, ingranaggi, cinghie ecc.) oppure all’effetto Joule dei vari azionamenti elettrici (motori elettrici, elettromandrini e simili).

Questi effetti collaterali sono quasi sempre indesiderati e talvolta dannosi sia per il corretto funzionamento dei macchinari sia che per la durata e l’affidabilità degli stessi.

In alcuni casi le naturali forme di scambio di calore, come irraggiamento e convezione, sono sufficienti a mantenere la temperatura dell’apparato in intervalli accettabili. In altri casi sono necessari sistemi di raffreddamento semplici, come ad esempio la convezione forzata o l’aumento della superficie irradiante, per risolvere il problema.

In molti altri casi però se la conformazione degli organi del macchinario non favorisce la dissipazione di calore, o se comunque l’energia termica prodotta à ̈ maggiore rispetto a quella dissipabile con i sistemi semplici descritti sopra, sono necessari dispositivi di raffreddamento ausiliari in grado di sottrarre la quantità di energia termica necessaria per mantenere i componenti del macchinario entro un intervallo di temperatura di funzionamento stabilito.

Nelle macchine utensili, a causa delle elevate velocità di rotazione degli vari organi, spesso à ̈ necessario ricorre a questa seconda tipologia di raffreddamento.

I dispositivi noti comprendono in genere un’unità esterna che fornisce un fluido di raffreddamento ad una temperatura controllata.

Nel dettaglio à ̈ prevista un’unità refrigerante atta a raffreddare un fluido di raffreddamento che, una volta portato alla temperatura desiderata, viene convogliato, a mezzo di pompe o simili e attraverso apposite tubazioni, presso gli organi del macchinario per i quali si vuole controllare la temperatura.

Ancora più in dettaglio detta unità refrigerante comprende una macchina frigorifera e uno scambiatore fluido/fluido nel quale circola il fluido frigorigeno della macchina frigorifera che scambia calore con detto fluido di raffreddamento (ad esempio una miscela di acqua e glicole) per abbassarne la temperatura.

Detto fluido di raffreddamento viene quindi fatto circolare nei pressi di tali organi in modo che possa assorbire una certa quantità di energia termica abbassandone la temperatura. Il fluido à ̈ poi riconvogliato verso l’unità refrigerante, nello scambiatore di calore, dove viene abbassata nuovamente la temperatura per un nuovo ciclo di raffreddamento.

Questi sistemi noti presentano però una serie di svantaggi e limitazioni, specialmente se le macchine utensili sono di dimensioni medie o grandi.

Come già accennato difatti l’unità refrigerante prevede almeno una tubazione di mandata del liquido di raffreddamento verso l’organo o gli organi della macchina a raffreddare, e almeno una tubazione di ritorno verso detta unità.

Se i macchinari sono appunto di medie o grandi dimensioni queste tubazioni possono raggiungere lunghezze di parecchi metri (anche oltre 20 metri), comportando perdite di carico e dispersioni notevoli durante il trasporto del fluido di raffreddamento, nonostante vengano ricoperte con materiali isolanti.

Su macchine di grandi dimensioni ( ad esempio per lavorare pezzi di oltre 5000 mm di lato) talvolta la potenza termica dell’unità refrigerante deve essere tre o quattro volte superiore rispetto alla potenza nominale richiesta per raffreddare l’organo rotante a causa di dette perdite e dispersioni.

Inoltre dette tubazioni, dovendo raggiungere organi che sono continuamente movimentati nell’area di lavoro (come ad esempio mandrini o elettromandrini), spesso sono provviste di giunzioni mobili o snodi che risultano difficili da coibentare.

Se poi detti organi da raffreddare comprendono parti asportabili, come accessori o simili, la presenza delle tubazioni spesso crea vincoli e criticità importanti, in particolare quando le operazioni di montaggio e smontaggio sono frequenti.

In questo contesto, lo scopo della presente invenzione à ̈ proporre un organo rotante raffreddato, in particolare un organo rotante di macchine utensili, che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare à ̈ scopo dell’invenzione proporre un organo rotante raffreddato, che consenta di eliminare o comunque di limitare il problema delle dispersioni delle unità di refrigeranti note.

Nel dettaglio à ̈ scopo dell’invenzione proporre un organo rotante raffreddato che consenta di posizionare l’unità refrigerante nei pressi dell’organo da raffreddare in maniera da poter utilizzare il fluido frigorigeno della macchina frigorifera come fluido di raffreddamento, per ridurre la lunghezza delle tubazioni e quindi le dispersioni.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un organo rotante raffreddato provvisto di un dispositivo di raffreddamento più compatto, semplificato rispetto ai sistemi noti e che si integri al meglio su macchinari come macchine utensili o simili.

Questi scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un organo rotante raffreddato comprendente un corpo rotante racchiuso in un alloggiamento e un dispositivo di raffreddamento di detto organo rotante comprendente almeno un compressore per comprimere e mettere in circolazione un fluido frigorigeno, una valvola di espansione di detto fluido frigorigeno, almeno un primo scambiatore di calore collegato in ingresso a detta valvola di espansione e in uscita a detto compressore, almeno un secondo scambiatore di calore collegato in ingresso a detto compressore e in uscita a detta valvola di espansione, caratterizzato dal fatto che almeno detto primo scambiatore di calore à ̈ ricavato in detto alloggiamento del corpo rotante.

In questo modo possibile utilizzare direttamente il liquido frigorigeno del dispositivo di raffreddamento come liquido di raffreddamento per l’organo rotante.

Secondo un’altra forma di realizzazione dell’invenzione sono previsti, sia il primo scambiatore di calore, sia il secondo scambiatore di calore, ricavati nell’alloggiamento di detto corpo rotante.

In questo modo à ̈ possibile quindi eliminare l’ulteriore scambiatore di calore e il relativo circuito nel quale circola il liquido di raffreddamento (miscela acqua-glicole) dei sistemi noti, riducendo notevolmente le dispersioni di calore con l’esterno.

L’invenzione può prevedere inoltre il compressore collegato meccanicamente al corpo rotante, o comunque montato direttamente sull’organo rotante.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di un esempio di realizzazione preferita, ma non esclusiva dell’invenzione, come illustrato nelle figure allegate in cui:

la figura 1 à ̈ una vista schematica di un organo rotante raffreddato, secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;

la figura 2 à ̈ una vista schematica di un organo rotante raffreddato, secondo un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione;

la figura 3 à ̈ una vista schematica di un organo rotante raffreddato, secondo un’ulteriore forma di realizzazione preferita dell’invenzione; Con riferimento alle figure allegate l’organo rotante indicato nel complesso con 1 comprende un corpo rotante 2, un alloggiamento 3 di detto corpo rotante e un dispositivo di raffreddamento indicato nel complesso con 4.

Come già accennato detto organo rotante può essere un mandrino di una macchina utensile, un elettromandrino di una macchina utensile, un motore elettrico oppure un qualsiasi albero rotante, in particolare di una macchina utensile, che per le sue condizioni di lavoro necessiti di essere raffreddato e mantenuto in un intervallo di temperatura desiderata.

Il corpo rotante 2 allo stesso modo può essere ad esempio l’albero rotante di un mandrino o lo statore di un elettromandrino o di un motore elettrico.

Ugualmente l’alloggiamento 3 può essere ad esempio la cassa o il carter di un mandrino o di un qualsiasi albero rotante oppure la cassa o lo statore di un elettromandrino o di un motore elettrico.

Il dispositivo di raffreddamento 4 generalmente può essere una macchina termica che opera un ciclo frigorifero.

Nel dettaglio detta macchina frigorifera comprende un compressore 5, che comprime e mette in circolazione un fluido frigorigeno all’interno della macchina, una valvola di espansione 6 di detto fluido frigorigeno, almeno un primo scambiatore di calore 7 collegato in ingresso a detta valvola di espansione 6 e in uscita a detto compressore 5 e almeno un secondo scambiatore di calore 8 collegato in ingresso a detto compressore 5 e in uscita a detta valvola di espansione 6.

Detto compressore 5 comprime e pompa il fluido frigorigeno attraverso il secondo scambiatore di calore 8 (che funge da condensatore) dove il fluido passa dallo stato gassoso allo stato liquido rilasciando energia termica, successivamente viene espanso nella valvola di espansione 6 abbassando la sua temperatura e fatto passare nel primo scambiatore di calore 7 (che funge da evaporatore) dove detto fluido evapora a bassa pressione assorbendo calore dall’ambiente che lo circonda.

Come già accennato, caratteristica dell’invenzione à ̈ quella di prevedere almeno detto primo scambiatore di calore 7, che costituisce la parte a temperatura più bassa del circuito della macchina, ricavato nell’alloggiamento 3 del corpo rotante 2 (figura 1).

Questa soluzione consente di utilizzare direttamente il fluido frigorigeno del dispositivo di raffreddamento per raffreddare l’organo rotante; in questo modo à ̈ possibile quindi eliminare l’ulteriore scambiatore di calore e il relativo circuito nel quale circola il liquido di raffreddamento (miscela acqua-glicole) dei sistemi noti.

Nel dettaglio detto scambiatore 7 comprende un condotto 9, all’interno del quale circola il fluido frigorigeno in evaporazione, avvolto intorno a detto alloggiamento 3 del corpo rotante 2.

Detto condotto a sua volta può comprendere una tubazione avvolta a serpentina attorno a detto alloggiamento (cassa, carter, statore, ecc..) e opportunamente isolata, oppure può essere ricavato direttamente nello spessore del corpo dell’alloggiamento 3, come illustrato schematicamente in figura 1.

Preferibilmente detta valvola di espansione 6 à ̈ anch’essa montata a bordo dell’organo rotante in prossimità dell’alloggiamento 3 o su detto alloggiamento 3 dell’organo rotante 2.

In questo modo il condotto 9 del primo scambiatore di calore 7, nel quale circola il fluido frigorigeno espanso a bassa temperatura, può essere ricavato praticamente completamente in detto alloggiamento 3, mitizzando la lunghezza dei tratti esterni che possono generare dispersioni.

Un’altra forma di realizzazione dell’invenzione prevede sia il primo scambiatore di calore 7, sia il secondo scambiatore di calore 8, ricavati nell’alloggiamento 3 del corpo rotante 2 (figura 2).

Nel dettaglio detto alloggiamento comprende una prima parte 3a, nella quale à ̈ ricavato il primo scambiatore di calore 7, e una seconda parte 3b, nella quale à ̈ ricavato detto secondo scambiatore di calore 8.

Secondo l’invenzione detta parte 3a nella quale à ̈ ricavato il primo scambiatore di calore 7, à ̈ prevista sempre più prossima al corpo rotante 2 per consentire l’azione di raffreddamento da parte del fluido frigorigeno che circola in detto scambiatore di calore 7.

Preferibilmente fra detta prima parte 3a e detta seconda parte 3b dell’alloggiamento 3 à ̈ previsto uno strato 10 realizzato con un materiale isolante termicamente.

In questo modo si impedisce che la porzione di fluido che attraversa lo scambiatore di calore 7, che si trova ad una temperatura più bassa, assorba energia termica dalla porzione di fluido che attraversa lo scambiatore di calore 8 che si trova ad una temperatura più elevata. Anche detto scambiatore di calore 8 comprende un condotto 11 avvolto intorno a detta parte 3b dell’alloggiamento 3 del corpo rotante 2.

Detto condotto 11 a sua volta può comprendere una tubazione avvolta a serpentina attorno a detto alloggiamento oppure può essere ricavato direttamente nello spessore della parte 3b dell’alloggiamento 3, come illustrato schematicamente in figura 2.

Preferibilmente detta seconda parte 3b dell’alloggiamento 3 à ̈ provvista di una alettatura 12 o simili per aumentare la superficie di scambio termico ed aumentare l’energia termica scambiata dalla porzione di fluido che attraversa lo scambiatore di calore 8, con l’esterno.

Un’ulteriore forma di realizzazione preferita prevede sia il primo scambiatore di calore 7, sia il secondo scambiatore di calore 8, ricavati nell’alloggiamento 3 del corpo rotante 2, e prevede inoltre il compressore 5 collegato meccanicamente, direttamente o tramite un’opportuna trasmissione, al corpo rotante 2 (figura 3).

In questo modo à ̈ possibile sfruttare l’energia meccanica fornita dal corpo rotante (ad esempio l’albero rotante di un mandrino o lo statore di un elettromandrino o di un motore elettrico) per trascinare in rotazione il compressore 5.

Nel dettaglio detto compressore può essere un compressore a pistoni, a lobi, a vite a ingranaggi, qualunque tipo di compressore adatto a lavorare con un fluido frigorigeno nell’intervallo di valori di pressione previsti dal ciclo frigorifero (da 15 Bar a 60Bar circa, in funzione del tipo di fluido utilizzato).

Alternativamente detto compressore può essere accoppiato a una unità di potenza propria, ad esempio un motore elettrico o idraulico, ma grazie alle dimensioni più contenute rispetto a quelli della tecnica nota, può essere installato a bordo dell’organo rotante in prossimità dell’alloggiamento 3 o direttamente su di esso.

L’alimentazione in questo caso potrà essere la stessa che alimenta l’organo rotante (elettrica o idraulica).

Questa soluzione consente quindi di ridurre la lunghezza delle tubazioni nelle quali circola il fluido di raffreddamento e quindi le dispersioni di calore con l’esterno durante il tragitto.

La macchina termica necessaria risulterà quindi notevolmente sottodimensionata rispetto a quelle note con una forte riduzione dei consumi energetici.

Inoltre la riduzione delle dimensioni della macchina termica consente di posizionare i vari componenti direttamente nei pressi dell’organo rotante, e in particolare di poter collegare direttamente il compressore al corpo rotante 2.

Il risultato à ̈ un organo rotante raffreddato provvisto di un dispositivo di raffreddamento più compatto, semplificato rispetto ai sistemi noti e che si integra perfettamente su macchinari come macchine utensili o simili.

L'invenzione à ̈ stata descritta a scopo illustrativo e non limitativo secondo alcuni esempi preferiti di attuazione. Il tecnico esperto del settore potrà trovare numerose altre forme di attuazione, tutte comprese nell'ambito di protezione delle rivendicazioni che seguono.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Organo rotante raffreddato, in particolare di macchine utensili, comprendente un corpo rotante (2) racchiuso in un alloggiamento (3) e un dispositivo di raffreddamento (4) di detto organo rotante comprendente almeno un compressore (5) per comprimere e mettere in circolazione un fluido frigorigeno, una valvola di espansione (6) di detto fluido frigorigeno, almeno un primo scambiatore di calore (7) collegato in ingresso a detta valvola di espansione e in uscita a detto compressore, almeno un secondo scambiatore di calore (8) collegato in ingresso a detto compressore e in uscita a detta valvola di espansione, caratterizzato dal fatto che almeno detto primo scambiatore di calore (7) Ã ̈ ricavato in detto alloggiamento (3) del corpo rotante (2).
2. 2. Organo rotante raffreddato, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno detto secondo scambiatore di calore (8) à ̈ ricavato in detto alloggiamento (3) dell’organo rotante (2), detto primo scambiatore di calore (7) essendo posizionato più prossimo al corpo rotante (2) da raffreddare.
3. 3. Organo rotante raffreddato, secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che detta valvola di espansione (6) à ̈ montata a bordo dell’organo rotante, in prossimità dell’alloggiamento (3) o su detto alloggiamento (3) dell’organo rotante (2).
4. 4. Organo rotante raffreddato, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto compressore (5) à ̈ montato a bordo dell’organo rotante, in prossimità dell’alloggiamento (3) o su detto alloggiamento (3) dell’organo rotante (2).
5. 5. Organo rotante raffreddato, secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto compressore (5) Ã ̈ collegato meccanicamente a detto organo rotante (2).
6. 6. Organo rotante raffreddato, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo scambiatore di calore (7) comprende un condotto avvolto attorno a detto alloggiamento (3).
7. 7. Organo rotante raffreddato, secondo la rivendicazione 2 e 6, caratterizzato dal fatto che detto secondo scambiatore di calore (8) comprende un condotto avvolto attorno a detto alloggiamento (3), fra detto primo (7) e detto secondo (8) scambiatore di calore essendo interposto uno strato (10) in materiale isolante termicamente.
8. 8. Organo rotante raffreddato, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto organo rotante (2) Ã ̈ un rotore di un elettromandrino o di un motore elettrico, e detto alloggiamento (3) Ã ̈ uno statore di un elettromandrino o di un motore elettrico.
9. 9. Organo rotante raffreddato, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che compressore (5) Ã ̈ un compressore a pistoni, o a lobi, o a vite, o a ingranaggi.
10. 10. Organo rotante raffreddato, secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto alloggiamento (3) comprende una prima parte (3a), nella quale à ̈ ricavato il primo scambiatore di calore (7), e una seconda parte (3b), nella quale à ̈ ricavato detto secondo scambiatore di calore (8).