JP2020118348A

JP2020118348A - チラー

Info

Publication number: JP2020118348A
Application number: JP2019009038A
Authority: JP
Inventors: 佳尚宮本; Yoshihisa Miyamoto
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-08-06

Abstract

【課題】チラーの構成の簡略化を図りつつ、チラーの設備コストを十分に削減すること。【解決手段】チラー１６は、第１タンク２２と第１供給先１２との間で冷却水を循環させる第１冷却水回路２４を有し、第１タンク２２からの冷却水を冷媒回路３４によって冷却して第１供給先１２へ供給する第１冷却水供給部を萎えている。チラー１６は、第２タンク４６と第２供給先１４との間で冷却水を循環させる第２冷却水回路４８と、第２供給先１４へ供給する冷却水の温度を検出する温度センサ５６と、温度センサ５６の検出温度が第２供給先１４の要求温度の上限を達したときに第１冷却水供給部から第２タンク４６へ冷却水を供給する制御弁６０を有し、第２タンク４６からの冷却水を第２供給先１４へ供給する第２冷却水供給部を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、異なる要求温度の冷却水を第１供給先と第２供給先にそれぞれ供給するチラー（冷却水循環装置）に関する。

例えば、レーザ加工システムにおいては、第１供給先としてのレーザ発振器モジュールに供給される冷却水の要求温度と、第２供給先としてのレーザ加工機における外気に接する部位である例えばレーザ加工ヘッドに供給される冷却水の要求温度が異なり、後者の要求温度の方が前者の要求温度よりも高く設定されている。つまり、レーザ発振器モジュール内部に要求される要求温度は、例えばＬＤ（Laser Diode）の安定動作温度を基準に設定されている。レーザ発振器モジュールは外気直接に触れないようレーザ発振器筐体内部に備え付けられているが、レーザ加工ヘッドは直接外気に触れる部位であるため、レーザ加工ヘッドに供給される冷却水の要求温度は、外気温とその相対湿度によってレーザ加工ヘッドが結露しないように露点温度を考慮して設定されている。よって、異なる要求温度の冷却水をレーザ発振器モジュールとレーザ加工機における外気に接する部位にそれぞれ供給する場合には、通常、レーザ加工システムは２台のチラーを装備する場合もある。

しかし、レーザ加工システムにおけるチラーの台数が２台になると、レーザ加工システムの設備コスト及び設置スペースの増大を招くことになる。そのため、１台で異なる要求温度の冷却水をレーザ発振器モジュールとレーザ加工機における外気に接する部位にそれぞれ供給できるチラーが既に開発されている（特許文献１参照）。そして、先行技術に係るチラーの構成について簡単に説明すると、次の通りである。

チラーは、冷却水を貯水するタンクと、レーザ発振器モジュールに冷却水を供給しながらタンクとレーザ発振器モジュールとの間で冷却水を循環させる第１冷却水回路とを備えている。また、チラーは、冷媒との熱交換により冷却水を冷却する冷却器を備えており、冷却器は、第１冷却水回路におけるレーザ発振器モジュールへの冷却水の供給側に配設されている。チラーは、レーザ発振器モジュールに供給される冷却水よりも高温の冷却水をレーザ加工機における外気に接する部位に供給しながら、タンクとレーザ加工機における外気に接する部位との間で冷却水を循環させる第２冷却水回路を備えている。

チラーは、冷媒を循環させて冷却サイクルを行う冷媒回路を備えている。冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、冷却器内に配設されかつ冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えている。また、第２冷却水回路及びレーザ加工機における外気に接する部位周辺の結露を防止するため、冷却回路は、第２冷却水回路におけるレーザ加工機への冷却水の供給側に配設された再加熱器を有している。再加熱器は、レーザ発振器モジュールの排熱と熱交換した冷媒によって、レーザ加工機における外気に接する部位に供給される冷却水を昇温（加熱）する。

特開２０１５−１６９４０４号公報

ところで、先行技術に係るチラーにおいては、冷媒回路が第２冷却水回路に配設された再加熱器を装備するため、冷媒回路の構成が複雑化してしまう課題と、高価な再加熱器によってチラーの設備コストを十分に削減することができないという課題がある。

そこで、本発明は、前述の課題を解決することができる、冷却水回路のみを用いて第２供給先に要求温度の冷却水を供給することができる、新規な構成からなるチラーを提供することを課題とする。

本発明の実施態様に係るチラーは、第１タンクと第１供給先との間で冷却水を循環させる第１冷却水回路を有し、前記第１タンクからの冷却水を冷媒回路によって冷却して第１供給先へ供給する第１冷却水供給部と、第２タンクと第２供給先との間で冷却水を循環させる第２冷却水回路と、第２供給先へ供給する冷却水の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が第２供給先の要求温度の上限を達したときに前記第１冷却水供給部から前記第２タンクへ冷却水を供給する制御弁を有し、前記第２タンクからの冷却水を第２供給先へ供給する第２冷却水供給部と、を備えている。

本発明の実施態様に係るチラーは、前記第２タンク内の冷却水の満水状態又は渇水状態を検出する水位検出部と、前記水位検出部が前記第２タンク内の冷却水の満水状態を検出したときに、前記第２タンクから前記第１タンクへ冷却水を供給する定水位弁と、を備えてもよい。この場合に、前記水位検出部が前記第２タンク内の冷却水の渇水状態を検出したときに、前記制御弁が前記第１冷却水供給部から前記第２タンクへ冷却水を供給してもよい。

本発明の実施態様では、前記第２冷却水供給部は、前記第１冷却水回路と前記第２冷却水回路を連絡する連絡冷却水回路を有し、前記制御弁は、前記連絡冷却水回路の途中に配設されてもよい。また、前記第１供給先は、レーザ光を発振するレーザ発振器モジュールであり、前記第２供給先は、発振されたレーザ光を用いてレーザ加工を行うレーザ加工機における外気に接する部位であってもよい。

本発明の実施態様によると、前記第１冷却水回路によって前記第１タンクと前記第１供給先との間で冷却水を循環させる。これにより、前記冷却器によって冷却された冷却水が前記第１供給先に供給され、前記第１供給先を冷却することができる。つまり、前記第１冷却水回路と前記冷媒回路を用いて前記第１供給先を冷却することができる。

併せて、前記第２冷却水回路によって前記第２タンクと前記第２供給先との間で冷却水を循環させる。また、前記温度センサの検出温度が第２供給先の要求温度の上限を達したときに、前記制御弁が前記第１冷却水供給部から前記第２タンクへ冷却水を供給する。これにより、温度調整された冷却水が前記第２供給先に供給され、前記第２供給先を適温に保つことができる。つまり、前記冷媒回路を用いることなく、冷却水回路（前記第２冷却水回路と前記第１冷却水回路）を用いて前記第２供給先に要求温度の冷却水を供給することができる。

本発明によれば、前記冷媒回路が再加熱器を装備する必要がなくなり、前記冷媒回路の構成の簡略化を図りつつ、前記チラーの設備コストを十分に削減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工システムのブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係るチラーの模式的な図である。図３は、レーザ発振器モジュール及びレーザ加工機のレーザ加工ヘッドにそれぞれ供給される冷却水の温度変化、及び制御弁の開閉動作のタイミングを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられる」とは、直接的に設けられることの他に、別部材を介して間接的に設けられることを含む意である。「設置される」とは、直接的に設置されることの他に、別部材を介して間接的に設置されることを含む意である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工システム１０は、ワーク（図示省略）に対してレーザ切断又はレーザ溶接等のレーザ加工を行うためのシステムである。レーザ加工システム１０を概略的に説明すると、次の通りである。

レーザ加工システム１０は、レーザ光を発振するレーザ発振器モジュール１２と、発振されたレーザ光を用いてレーザ加工を行うレーザ加工機１４とを備えている。また、レーザ加工システム１０は、異なる要求温度の冷却水を第１供給先としてのレーザ発振器モジュール１２と第２供給先としてのレーザ加工機１４における外気に接する部位である例えばレーザ加工ヘッドにそれぞれ供給するチラー（冷却水循環装置）１６を備えている。レーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドに供給される冷却水の要求温度は、レーザ発振器モジュール１２に供給される冷却水の要求温度よりも高く設定されている。更に、レーザ加工システム１０は、レーザ発振器モジュール１２、レーザ加工機１４、及びチラー１６と通信してそれらを制御する制御装置としてＣＮＣ（computer numerical control）装置１８を備えている。

続いて、本発明の実施形態に係るチラー１６の具体的な構成について説明する。

図２及び図１に示すように、チラー１６は、箱形のチラー本体２０を備えており、チラー本体２０内には、冷却水を貯水する第１タンク２２が設けられている。また、チラー１６は、要求温度である所定の第１温度範囲（例えば、２５±１℃）のレーザ発振器モジュール１２に冷却水を供給しながら、第１タンク２２とレーザ発振器モジュール１２との間で冷却水を循環させる第１冷却水回路２４を備えている。第１冷却水回路２４は、所定の第１温度範囲の冷却水をレーザ発振器モジュール１２に供給するための第１供給回路２６を有しており、第１供給回路２６は、第１冷却水回路２４におけるレーザ発振器モジュール１２への冷却水の供給側に相当する。第１冷却水回路２４は、レーザ発振器モジュール１２から冷却水を排出するための第１排出回路２８を有しており、第１排出回路２８は、第１冷却水回路２４におけるレーザ発振器モジュール１２からの冷却水の排出側に相当する。第１冷却水回路２４は、第１供給回路２６の第１タンク２２側に配設されかつ冷却水を圧送する第１ポンプ３０を有しており、第１ポンプ３０は、チラー本体２０内における第１タンク２２の近傍に設置されている。

第１供給回路２６における第１ポンプ３０の吐出側には、冷媒との熱交換により冷却水を冷却する冷却器３２が配設されており、冷却器３２は、チラー本体２０内の適宜位置に設置されている。チラー本体２０内には、冷媒を循環させて冷却サイクルを行う冷媒回路３４が設けられている。冷媒回路３４は、冷媒を圧縮する圧縮機３６と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器３８と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁４０と、冷却器３２内に配設されかつ膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器４２とを有している。

チラー本体２０内には、レーザ発振器モジュール１２に供給される冷却水の温度を検出する第１温度センサ４４が設けられており、第１温度センサ４４は、ＣＮＣ装置１８に接続されている。ＣＮＣ装置１８は、第１温度センサ４４の検出温度に基づき、レーザ発振器モジュール１２に供給される冷却水の温度を所定の第１温度範囲に保つように圧縮機３６及び凝縮器３８を制御する。

ここで、第１冷却水回路２４（第１供給回路２６、第１排出回路２８）、第１ポンプ３０、及び第１温度センサ４４は、第１タンク２２からの冷却水を冷媒回路３４によって冷却してレーザ発振器モジュール１２へ供給する第１冷却水供給部に相当する。

チラー本体２０内における第１タンク２２に離隔した位置には、冷却水を貯水する第２タンク４６が設けられている。また、チラー１６は、要求温度である所定の第２温度範囲（例えば、３１±１℃）の冷却水をレーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドに供給しながら、第２タンク４６とレーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドとの間で冷却水を循環させる第２冷却水回路４８を備えている。第２冷却水回路４８は、所定の第２温度範囲の冷却水をレーザ発振器モジュール１２に供給するための第２供給回路５０を有しており、第２供給回路５０は、第２冷却水回路４８におけるレーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドへの冷却水の供給側に相当する。所定の第２温度範囲は、所定の第１温度範囲よりも高く設定されている。第２冷却水回路４８は、レーザ加工機１４から冷却水を排出するための第２排出回路５２を有しており、第２排出回路５２は、第２冷却水回路４８におけるレーザ加工機１４からの冷却水の排出側に相当する。第２冷却水回路４８は、第２供給回路５０の第２タンク４６側に配設されかつ冷却水を圧送する第２ポンプ５４を有しており、第２ポンプ５４は、チラー本体２０内における第２タンク４６の近傍に設置されている。

チラー本体２０内には、レーザ加工機１４に供給される冷却水の温度を検出する第２温度センサ５６が設けられており、第２温度センサ５６は、ＣＮＣ装置１８に接続されている。また、チラー１６は、第１冷却水回路２４から第２タンク４６に冷却水を供給するための連絡冷却水回路５８を備えている。連絡冷却水回路５８の一端部は、第１排出回路２８の途中に接続されており、連絡冷却水回路５８の他端部は、第２タンク４６の上部に接続されている。

図１から図３に示すように、連絡冷却水回路５８の途中に、第２タンク４６に流れる冷却水の流量を制御する制御弁６０が配設されている。ＣＮＣ装置１８は、レーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドに供給される冷却水の要求温度となるように、第２温度センサ５６の検出温度に応じて制御弁６０の開閉動作を制御する。具体的には、ＣＮＣ装置１８は、第２温度センサ５６の検出温度が所定の第２温度範囲の上限温度（例えば、３２℃）に達することで、制御弁６０を開く（開度１００％にする）。つまり、制御弁６０は、第２温度センサ５６の検出温度がレーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドの要求温度の上限を達したときに第１排出回路２８から連絡冷却水回路５８を経由して第２タンク４６へ冷却水を供給する。また、ＣＮＣ装置１８は、第２温度センサ５６の検出温度が所定の第２温度範囲の下限温度（例えば、３０℃）に達することで、制御弁６０を閉じる（開度０％にする）。

なお、連絡冷却水回路５８の一端部を第１排出回路２８の途中に接続する代わりに、第１供給回路２６における第１ポンプ３０と冷却器３２との間に接続してもよい。所定の第２温度範囲の上限温度及び下限温度をそれぞれ一定の値にすることなく、環境温度及び環境湿度、換言すれば、露点温度に応じた設定値に逐次変更してもよい。レーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドに供給される冷却水の要求温度に応じて、制御弁６０の開度を０％と１００％のうちのいずれかに切り替える代わりに、０％から１００％の範囲内で段階的又は無段階に切り替えてもよい。

ここで、第２冷却水回路４８（第２供給回路５０、第２排出回路５２）、第２ポンプ５４、第２温度センサ５６、連絡冷却水回路５８、及び制御弁６０は、第２タンク４６からの冷却水をレーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドへ供給する第２冷却水供給部に相当する。

図２に示すように、チラー１６は、第２タンク４６内の冷却水の水位が所定の上限水位に達した場合に、第２タンク４６から冷却水の一部を第１タンク２２に戻す（供給する）オーバーフロー回路６２を備えている。オーバーフロー回路６２は、第２タンク４６内の冷却水の水位に応じて昇降する浮き６４と、第２タンク４６の適宜位置に設けられかつ浮き６４に連結された定水位弁６６と、戻り回路６８とを有している。

ここで、浮き６４は、第２タンク４６内の冷却水の満水状態又は渇水状態を検出する水位検出部に相当する。定水位弁６６は、第２タンク４６内の冷却水の水位が所定の上限水位に達すると全開する。オーバーフロー回路６２は、戻り回路６８の一端部は、定水位弁６６に接続されており、戻り回路６８の他端部は、第２タンク４６の上部に接続されている。つまり、定水位弁６６は、浮き６４が第２タンク４６内の冷却水の満水状態を検出したときに、第２タンク４６からオーバーフロー回路６２を経由して第１タンク２２へ冷却水を供給する。

ＣＮＣ装置１８は、浮き６４が第２タンク４６内の冷却水の渇水状態を検出したときに、制御弁６０を開く。つまり、制御弁６０は、浮き６４が第２タンク４６内の冷却水の渇水状態を検出したときに、第１排出回路２８から連絡冷却水回路５８を経由して第２タンク４６へ冷却水を供給する。

続いて、本発明の実施形態の作用効果について説明する。

レーザ加工システム１０の運転開始後に、第１ポンプ３０の駆動により第１冷却水回路２４によって第１タンク２２とレーザ発振器モジュール１２との間で冷却水を循環させる。また、冷媒回路３４によって冷媒を循環させて冷却サイクルを行うことにより、冷却器３２によって冷却水を冷媒との熱交換により冷却する。これにより、冷却された冷却水がレーザ発振器モジュール１２に供給され、レーザ発振器モジュール１２を冷却することができる。つまり、第１冷却水回路２４と冷媒回路３４を用いてレーザ発振器モジュール１２を冷却することができる。

ここで、ＣＮＣ装置１８が第１温度センサ４４の検出温度に基づいて圧縮機３６及び凝縮器３８を制御することにより、レーザ発振器モジュール１２に供給される冷却水の温度を所定の第１温度範囲に保つことができる。

併せて、ＣＮＣ装置１８は、レーザ加工システム１０の運転開始後に、第２ポンプ５４の駆動し、第２冷却水回路４８を用いて第２タンク４６とレーザ加工機１４との間で冷却水を循環させる。すると、レーザ加工機１４の排熱によって第２タンク４６内の冷却水の温度が上昇する。そして、ＣＮＣ装置１８は、第２温度センサ５６の検出温度が所定の第２温度範囲の上限温度に達すると、制御弁６０を開く。すると、連絡冷却水回路５８によって第２排出回路５２から第２タンク４６に冷却水が供給され、第２タンク４６内の冷却水の温度が低下する。

ＣＮＣ装置１８は、制御弁６０を開いた後、第２温度センサ５６の検出温度が所定の第２温度範囲の下限温度になると、制御弁６０を閉じる。その後、レーザ加工機１４の排熱によって第２タンク４６内の冷却水の温度が再び上昇する。

前述のように、第２温度センサ５６の検出温度に応じて、制御弁６０の開閉動作を交互に繰り返すことにより、温度調整された冷却水がレーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドに供給され、レーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドを適温に保つことができる。つまり、２つ目の冷媒回路を用いることなく、冷却水回路（第２冷却水回路４８と第１冷却水回路２４と連絡冷却水回路５８）のみを用いてレーザ加工機１４のレーザ加工ヘッドに要求温度の冷却水を供給することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、冷媒回路３４が再加熱器を装備する必要がなくなり、冷媒回路３４の構成の簡略化、換言すれば、チラー１６の構成の簡略化を図りつつ、チラー１６の設備コストを十分に削減することができる。

また、本発明の実施形態によれば、前述のように、ＣＮＣ装置１８は、第２温度センサ５６の検出温度が所定の第２温度範囲の下限温度になると、制御弁６０を閉じる。そのため、第２タンク４６内の冷却水の温度が過剰に低下することを抑えて、第２冷却水回路４８及びその周辺の結露を防止することができる。また、第２排出回路５２から第２タンク４６に必要最低限の冷却水が供給されることになり、チラー１６の冷却効率を高めると共に、チラー１６の消費電力を低減することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、異なる要求温度の冷却水を求める複数の供給先があれば、最も低い要求温度の冷却水を求める供給先用の冷却水供給部に冷媒回路を持たせて、その供給先用の冷却水供給部から他の供給先用の冷却水供給部に冷却水を温度調整して供給してもよい。そして、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものでない。

１０レーザ加工システム
１２レーザ発振器モジュール
１４レーザ加工機
１６チラー（冷却水循環装置）
１８ＣＮＣ装置
２０チラー本体
２２第１タンク
２４第１冷却水回路
２６第１供給回路
２８第１排出回路
３０第１ポンプ
３２冷却器
３４冷媒回路
３６圧縮機
３８凝縮器
４０膨張弁
４２蒸発器
４４第１温度センサ
４６第２タンク
４８第２冷却水回路
５０第２供給回路
５２第２排出回路
５４第２ポンプ
５６第２温度センサ
５８連絡冷却水回路
６０制御弁
６２オーバーフロー回路
６４浮き（水位検出部）
６６定水位弁
６８戻り回路

Claims

第１タンクと第１供給先との間で冷却水を循環させる第１冷却水回路を有し、前記第１タンクからの冷却水を冷媒回路によって冷却して第１供給先へ供給する第１冷却水供給部と、
第２タンクと第２供給先との間で冷却水を循環させる第２冷却水回路と、第２供給先へ供給する冷却水の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が第２供給先の要求温度の上限を達したときに前記第１冷却水供給部から前記第２タンクへ冷却水を供給する制御弁を有し、前記第２タンクからの冷却水を第２供給先へ供給する第２冷却水供給部と、を備えたことを特徴とするチラー。
前記第２タンク内の冷却水の満水状態又は渇水状態を検出する水位検出部と、
前記水位検出部が前記第２タンク内の冷却水の満水状態を検出したときに、前記第２タンクから前記第１タンクへ冷却水を供給する定水位弁と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のチラー。
前記水位検出部が前記第２タンク内の冷却水の渇水状態を検出したときに、前記制御弁が前記第１冷却水供給部から前記第２タンクへ冷却水を供給することを特徴とする請求項２に記載のチラー。
前記第２冷却水供給部は、前記第１冷却水回路と前記第２冷却水回路を連絡する連絡冷却水回路を有し、
前記制御弁は、前記連絡冷却水回路の途中に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のチラー。
前記第１供給先は、レーザ光を発振するレーザ発振器モジュールであり、前記第２供給先は、発振されたレーザ光を用いてレーザ加工を行うレーザ加工機における外気に接する部位であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のチラー。