JP2014507587A - 液体空気冷却システム - Google Patents

Abstract

液体空気冷却システム１は、流体サイクル６における流体５のために冷却能力を生じさせるための送風機４を駆動する少なくとも１つの可変速の送風機モーター３で構成される少なくとも１つの送風機装置２を有する。制御装置及び／又は調節装置２４によって送風機モーター３の速度を調節するため、区分化された熱交換器（１９）の下流の少なくとも１つの実値（ｔｉｓｔ）は、所定の設定値（ｔｓｏｌｌ）と比較され、制御装置及び／又は調節装置２４は、機械ユニット９の現在のパワー値によって冷却パワーを調節する。

Description

本発明は、冷却サイクルの流体のための冷却能力を生成するべく送風機に動力付与する少なくとも１つの可変速の送風機モーターを有した少なくとも１つの送風機装置を具備する液体空気冷却システムであって、自動制御システムによる送風機モーターの速度制御のため、液体空気冷却システムに接続され得る機械ユニットからの少なくとも１つの実値は、液体空気冷却システムの冷却能力がそれぞれの機械ユニットの電流出力値に応じて調節されるような方法で、設定値と比較される液体空気冷却システムに関する。

欧州特許出願公開第０９６８３７１８１号明細書は、送風機に動力付与するモーターと、流体をオイルタンクからハイドロリック操作サイクルへと流す流体ポンプとを具備する流体冷却装置を開示し、説明している。ハイドロリック操作サイクルにおいて、流体（ハイドロリック媒体）は、加熱され、熱交換器へと流され、そこから冷却された流体は、オイルタンクへと再循環される。流体冷却システムのオイルタンクは、送風機を受容するためのハウジング部を形成するのに適した特に高い位置にある（high-reaching）盆縁部を有する盆形状で構成される。流体冷却装置によって、大きな流体体積を貯蔵し且つ循環させるため、特にコンパクトな組立体のオイルタンクを提供することが可能となる。

機械ユニットの複数の流体媒体を冷却するための複数の送風機の速度制御のための制御システム及び方法は、独国特許出願公開第１００６２５３４号明細書において開示されている。複数の送風機のそれぞれの速度は、特に伝熱コアの要求であるローラーキャリア放熱によって制御される。１つの温度センサのため、複数の流体媒体のそれぞれの現在の温度がそれぞれ監視され、それぞれのセンサは、一方で、それぞれの流体媒体の温度を表示する信号を生じさせるように操作されることができ、他方で、それぞれの送風機の単一の速度をそれぞれ制御するために、その信号を電子制御装置へと送信する。

上述された解決法を用いれば、温度制御、特にハイドロリック回路の流体のための冷却タスクは、基本的に実現され得るが、特に、送風機装置を通過する流体の温度は、絶対的に見ると、ハイドロリックパワーユニットの、変化するそれぞれの周囲温度に依存する。従って、流体の出力温度は、公知のハイドロリックパワーユニット及び流体冷却装置において、送風機装置を通過した後に変動する。

この先行技術に基づいて、本発明の目的は、液体空気冷却システムの周囲温度を考慮した冷却能力を備える送風機装置を有した液体空気冷却システムを提供することにあり、目的とする正確な流体の温度を恒久的に実現することを可能とする。

本目的は、請求項１の特徴をその全範囲において有する液体空気冷却システムによって実現される。

請求項１によれば、液体空気冷却システムが提供され、その液体空気冷却システムは、可変速の送風機モーターによって動力付与された送風機を備えた送風機装置を有し、基本的に、流体サイクルを介して液体空気冷却システムへと接続され得る機械ユニットからの温度値のような、実値を考慮した冷却サイクル内の流体のための冷却能力の実施形態を可能とする。本発明によれば、液体空気冷却システムは、設定値を考慮する可能性を更に有し、設定値は、送風機装置の冷却能力が、流体を供給される機械ユニットの実際の出力値に応じて調節されるような方法で実値と比較される。

自動制御システムは、送風機モーターの対応する設定値／実値の比較及び速度制御を処理する。この実値及び設定値は、温度値によって示される。実値及び設定値が、機械ユニットの現在の操作点に関連する、適した他の特徴的値及び液体空気冷却システムに関する現在の操作状態を示す現在の実際の温度値によって示されることを想定することも可能である。

液体空気冷却システム及び特に送風機の速度を調節する自動制御システムのメモリ及びプロセッサ手段を用いる特に好適な実施形態において、例えば送風機装置の供給側における設定値として、気温が提供される。設定値は、ハイドロリックパワーユニットの周囲温度、又は、温度制御のため流れる流体を受容する機械ユニットの若しくは機械ユニットの構成要素の温度である。

大気は、液体空気冷却システムのエネルギー効率を向上させるための冷媒として提供され、好適には、送風機モーターの速度は、クーラントの流体温度が、目的とする温度を示す設定温度と比較して５Ｋまたはそれより低く低下された値で維持されるような方法で制御される。費用効率の高い液体空気冷却システムの実現を可能とするため、送風機モーターとして可変速のモーターを選択すると好適である。更に、送風機モーター制御のため、機械ユニットと接続された対応する自動制御システムを用いると好適であり、或いは、設定値及び実値の伝達のために、複数の機械ユニットの通信のためのフィールドバスシステムという意味でのバスシステムが用いられると好適である。ＰＩＤ制御器は、そこで送風機モーターの速度を制御する。ＰＩＤ制御システムは、当業者に公知であり、機械的駆動部又は機械ユニットの他の機械的設備付属品の操作の制御のために概して用いられる。本発明は、ここで任意の形式のＰＩＤ制御を具備する。ＰＩＤ制御の出力量は、ここで送風機モーター及び／又は送風機の最大許容速度に制限される。

特に好適な実施形態において、液体空気冷却システムは、コンパクトユニットであって、流体タンクと、流体ポンプに動力付与するためのモーターと、流体ポンプ自体と、送風機モーター及び送風機と、任意の関連する冷却装置と、冷却機ハウジングと、を備える、最小化された必要組立空間を有するコンパクトユニットに結合される。特に好適には、流体ポンプに動力付与するためのモーターは、流体タンクに直接取り付けられる。

ここで、液体空気冷却システムの前述の構成要素の幾何学的寸法を、送風機装置及び流体ポンプに動力付与するためのモーターが、概して流体タンクのベース領域を越えて延在しないような方法で選択すると好適である。

流体は、例えば、トランスミッションオイル、ハイドロリックオイル、或いは、水及びグリコールの混合であり得る。

好適には、液体空気冷却システムによって、工作機械、トランスミッション、押出機、モーター、周波数変換器、又は機械ユニットの他の形式において、非常に正確な温度制御が可能となり、最小化されたエネルギーを用いることによって、温度変動に対する恒久性の実現、又は対応する機械ユニットを正確に操作する温度制御された機械ユニットの実現が可能となる。液体空気冷却システムを用いれば、機械ユニットのベッド又は機械ユニットのスピンドルのような単一の機械構成要素に、流体、特に、温度制御された流体を供給することが可能となる。

液体空気冷却システムは、図によって具現化された例示を用いて以下でより詳細に説明される。原理的に且つ原寸ではない図で本発明を示す図が示される。

液体空気冷却システムの斜視図を示す。 図１の液体空気冷却システムの上面図を示す。 本発明に係る液体空気冷却システムの概略的回路図を示す。 液体空気冷却システムへと供給された機械ユニットからの熱出力の例示である。 機械ユニットに入る前の流体の温度、ポンプ出口の下流の流体の温度、流体の体積流量Ｖ、及び、ハイドロリックパワーユニットの周囲温度の、経時的な重ねられた曲線の概略図を示す。 アンペアで計測された送風機モーターのモーター電流、及び、キロワットで計測された送風機モーターの提供されたモーター電力の、重ねられた曲線の概略図における経時的変化を示す。 送風機モーターの速度の、経時的図を示す。

図１は、液体空気冷却システムの斜視図及び部分分解概略図を示し、全体として符号１で識別され、概略的に示された機械ユニット９及び／又は機械ユニット９の構成要素１１に、流体５を供給し、この流体５は、温度制御された流体として想定される。電気モーター１２として具現化され且つ、軸流ファン方式のローラーキャリア羽根車を備えた送風機４に動力付与する可変速の送風機モーター３を有する送風機装置２は、液体空気冷却システム１と関連する。送風機４は、送風機ハウジング２２及び保護格子１７によって部分的に受容される。送風機ハウジング２２は、プラスチック又は板金部品で作られ得る。図２に示され、図１において液体空気冷却システムの上面図においても示されるように、保護格子１８は、安全のため、送風機４の後方区分において設けられる。送風機４の反対側において、セルラーラジエータ（cellular radiator）の形式の熱交換器１９は、保護格子１８と関連して配置される。突出領域を全体的に横断して延在する熱交換器１９は、送風機４によって送風される（swept）。

図１からそれぞれ示されるように、送風機４は、セルラーラジエータのリブを通して右から左へと大気を吸引し、送風機モーター３へと送る。原理的には、ここで示された送風機装置２は、反対方向に流れる冷却空気で設計され且つ操作され得る。送風機ハウジング２２は、ボックスとして設計され、本実施形態において、流体タンク１３に鉛直に取り付けられる。流体タンク１３は、概してブロック形状の構成要素として形成される。流体タンク１３の断面は、ここで、流体タンク１３の断面の他の部分の上方に上げられたモーター１５のための組立体ベース２０が、流体タンク１３内部に配置された流体ポンプ１４のモーター１５のために形成されるような、図１に示されたようなＬ形状を有する。分配器レール７は、送風機ハウジング２２に配置される。実際の温度ｔ_ｉｓｔを検出するためのセンサ２８は、セルラーラジエータ１９と流体タンク１３との間で熱交換器１９と流体接続されて配置される。制御システム２４は、モーター３に配置される。目的温度１０を検出するためのセンサは、セルラーラジエータ１９の上流の、流れの方向に示されて配置され、流れる空気の流れに対して保護される。全体の送風機装置２及び流体ポンプ１４に動力付与するためのモーター１５は、流体タンク１３のベース領域１６を越えてわずかに延在するのみである。設定温度は、付加的に又は別に、運転中の機械ユニットにおいて、対応するセンサによって直接的に計測されることもできる。

モーター制御ユニット２４は、送風機モーター３の上部側、或いは、冷却リブをそれぞれ有するその外側領域に直接的に取り付けられる。結果は、モーター制御ユニット２４と送風機モーター３との間の一体化ケーブル接続である。この構成は、送風機モーター３の操作中の電磁妨害フィールドを回避するため及びハイドロリックパワーユニット１のＥＭＣ許容値を向上させるための構造的手段である。モーター制御ユニット２４は、ここで示された実施形態において、分離された操作ユニットによって特に個別にパラメータ化された周波数変換器を有し、送風機モーター３のそれぞれの用途のために適合可能なプラグイン接続されるケーブルによって接続されることができる。

流体ポンプ１４は、ここで示された実施形態において、温度制御された流体を流し、好適には、グリコール混合を流し、浸水ポンプとして具現化される。ここで、流体ポンプ１４は、機械ユニット９の液体空気冷却システム６において、基本的に構成形式に関して、流体ポンプ１４の構成形式が、例えばロータリーポンプ又は例えばローラーポンプ、回転式ベーンタイプポンプ又はギヤ式ポンプのような変位要素を備えたポンプとされ得るように、更に大流量用に、更に流体５の高圧レベル用に、設計され得る。流体ポンプ１４のポンプ部品は、流体を運ぶために流体タンク１３から且つ流体タンク１３へと延在し、ここでは更に詳細には示されない。特に、流体ポンプ１４は、流体５を流体タンク１３から運ぶためのポンプ開口部２５を有する。流体５は、機械ユニット９又は機械ユニット９の構成要素１１を通して流された後、接続部Ｋを介してセルラーラジエータ１９へと流される。冷却された流体５は、熱交換器１９から出て、直接的に実値センサ及びパイプ２６を介して流体タンク１３へと流れる。

本実施形態において調節される温度差は、５Ｋより大きい。モーター制御ユニット２４におけるＰＩＤ制御器２７は、特に送風機モーター３のための速度制御器として機能する。分配器レール７、モーター制御ユニット２４及びＰＩＤ制御器２７は、自動制御システム（図示せず）へと結合されることもできる。

図４ａから図４ｄは、液体空気冷却システム１及びこれによって冷却される機械ユニット９の操作中の、関連する操作パラメータのログを示す。例えば、図４ａは、機械ユニット９によって機械ユニット９内部で加熱された流体５を介して液体空気冷却システム１へと供給される熱出力を、０秒から６０００秒の時間間隔で示す。供給された熱出力は、この時間間隔の間、約０．８ｋＷから６．３ｋＷの間で変動する。通常操作中（時間間隔１０００秒から４５００秒の間）、供給された熱出力は、本実施形態において、２・５ｋＷから６．３ｋＷの間で変動する。

図４ｂは、同じ時間間隔に亘り記録された液体空気冷却システムにおける関連する温度変化を示す。図４ｂの上の曲線は、液体空気冷却システム１の流入口、つまり、機械ユニット９を出た後且つ熱交換器１９へと流れる前の、流体５の温度の温度変化の実施形態を示す。ここで、上述した温度変動による示された実施形態における設定値は、約２８℃から３２℃の間である。

図４ｂの一番上の曲線の下に、液体空気冷却システム１を出た、冷却操作後の流体５の流体温度の曲線がある。時間間隔約２５０秒から６００秒の間の調節プロセスの後の流体５の出力温度が、ほとんど全く変動していないことがすぐにわかり、その後、温度はそれ自体約２７．８℃に調節される。

これらの上述した温度変化の下に、図４ｂは、同じ時間間隔の液体空気冷却システム１における流体５の体積流量Ｖを示す。ここで体積流量Ｖは、略正確に２５Ｌ／分である。この曲線の下に、図４ｂは、典型的なの設定値であって、ここでは液体空気冷却システム１の大気の温度ｔ_ｓｏｌｌである設定値の変化を示し、示された時間間隔の間、周囲温度は、２１℃から２３℃の間で変動する。従って、液体空気冷却システム１によって、機械ユニット９の構成要素１１、例えば、工作機械スピンドル駆動部又は機械ユニット９の形式の、処理センタ（processing center）又は工作機械のような構成要素１１の、非常に正確な温度管理が、可能となる。従って、本発明に係る液体空気冷却システム１は、プロセス中の機械の正確さの顕著な改善の提供を可能とする。

図４ｃは、一番上の曲線において、送風機モーター３のモーター電流が示す変化を示す一方で、一番下の曲線は、送風機モーター３の液体空気システムのモーター出力の変化を示す。示された実施形態において、モーター電流は、約１．２アンペアから２．２アンペアの間で変動する一方で、記録されたモーター出力は、約０から４００ワットの間で変動する。

図４ｄは、熱交換器１９から出た後の、図４ｂに示されたような流体５の正確な出力温度を示すのを可能とするために必要な送風機４の速度変動の図である。送風機４の速度は、ここで約２００回転／分から１０００回転／分の間の比較的幅広い範囲で変動する。更に、選択された速度及び／又は速度範囲は、ハイドロリックパワー１が、操作中に、比較的最小限の送風機翼の翼端速度及び最小限のノイズレベルを確実とすることを完全に可能とするように記載される。

Claims (11)

1. 流体サイクル（６）の流体（５）のための冷却能力を生成するべく少なくとも１つの送風機（４）に動力付与する少なくとも１つの送風機モーター（３）を有した少なくとも１つの送風機装置（２）を具備する液体空気冷却システムであって、自動制御システム（２４）による前記送風機モーター（３）の速度制御のため、少なくとも１つの実値（ｔ_ist）は、前記冷却能力がそれぞれの機械ユニット（９）の電流出力値に応じて調節されるような方法で、設定値（ｔ_soll）と比較される液体空気冷却システム。
2. 前記送風機装置（２）の供給側（１０）における気温が、前記設定値（ｔ_soll）として用いられることを特徴とする請求項１に記載の液体空気冷却システム。
3. 前記機械ユニット（９）又は該機械ユニット（９）の構成要素（１１）の温度が、前記設定値（ｔ_soll）として用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
4. 前記送風機モーター（３）の前記速度は、前記送風機装置（２）の前記供給側（１０）の前記気温が前記設定値（ｔ_soll）より低くなるような方法で制御されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
5. 前記送風機モーター（３）が、ＰＩＤ制御器（２７）を備える一体化された周波数変換回路を有するモーター制御ユニット（２４）によって駆動される可変速のモーター（３）であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
6. 当該液体空気冷却システム（１）が、流体タンク（１３）と、モーター（１５）を有する流体ポンプ（１４）と、自動制御システム（２４、２７）を有する前記送風機装置（２）と、を具備するコンパクトユニットであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
7. 前記流体ポンプ（１４）に動力付与するための前記モーター（１５）及び送風機（４）を有する前記送風機モーター（３）が、前記流体タンク（１３）における前記ハウジング（２４）に亘り取り付けられたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
8. 前記送風機装置（２）及び前記流体ポンプ（１４）に動力付与するための前記モーター（１５）が、概して前記流体タンク（１３）のベース領域（１６）を越えて延在しないことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
9. 前記流体（５）が、水及びグリコールの混合であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
10. 当該液体空気冷却システム（１）によって流体（５）を供給される前記機械ユニット（９）が、工作機械であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。
11. ベッド及び／又は前記機械ユニット（９）のスピンドルのような機械構成要素が、当該液体空気冷却システム（１）を流れる前記流体（５）を受容することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載の液体空気冷却システム。

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