TWI593501B - 工具機恆溫控制系統以及流路切換閥 - Google Patents

Description

工具機恆溫控制系統以及流路切換閥

本揭露主要關於一種工具機恆溫控制系統，尤指一種具有流路切換閥之工具機恆溫控制系統。

機械加工業使用之工具機，其於加工運轉過程中，因為各機件之轉動、移位等，均會產生熱值不等的熱流，諸如主軸(可分為一般主軸與內藏式主軸)、主軸驅動馬達組、軸向進給裝置等部件，均是工具機運轉時之主要熱集中單元，又凡此熱集中單元的運轉溫度若是不予以控制於一預定溫度範圍內，將會嚴重影響工具機之加工精度與品質。

於習知技術中，藉由於熱集中單元加裝如冷卻液循環系統等冷卻設備，以期維持工具機之溫度。雖然習知之冷卻設備達到了一般性之目的，然而並未滿足所有之方面。因此需要提供改良冷卻設備之技術方案。

本揭露提供了一種工具機恆溫控制系統，用以調整一工具機運作時之溫度，該工具機恆溫控制系統包括一儲存槽、一泵浦、一冷卻裝置、以及一流路切換閥。儲存槽用以容納一工作流體。泵浦用以從該儲存槽輸送該工作流體至該工具機。冷卻 裝置用以冷卻流過該工具機之該工作流體，並將冷卻後之該工作流體輸送至該儲存槽。

流路切換閥經由一排出管路從該工具機接收該工作流體，並用以依據該工作流體之溫度將該工作流體經由一第一管路輸送至該儲存槽，或是經由一第二管路輸送至該冷卻裝置。

本揭露提供了一種工具機恆溫控制系統之一流路切換閥，包括一殼體、以及一切換組件。殼體包括一注入口、一第一排出口、以及一第二排出口。切換組件包括一容置筒，可移動地設置於該殼體內，且用以容納一合金。該合金低於一控制溫度時開始固化並體積縮小，且高於該控制溫度時開始液化並體積膨脹。工作流體經由該注入口流進該殼體內並接觸該容置筒，且與該合金進行熱平衡。

當該合金因該工作流體之溫度固化時，該切換組件允許該工作流體僅可經由該第一排出口排出於該殼體，並止擋該工作流體經由該第二排出口排出於該殼體，且當該合金因該工作流體之溫度液化時，該切換組件允許該工作流體僅可經由該第二排出口排出於該殼體，並止擋該工作流體經由該第一排出口排出於該殼體。

1‧‧‧工具機恆溫控制系統

10‧‧‧儲存槽

20‧‧‧泵浦

30‧‧‧冷卻裝置

31‧‧‧壓縮機

40‧‧‧流路切換閥

41‧‧‧殼體

41a‧‧‧上殼體

41b‧‧‧下殼體

411‧‧‧主腔室

412‧‧‧次腔室

414‧‧‧閥口

415‧‧‧注入口

416‧‧‧第一排出口

417‧‧‧第二排出口

42‧‧‧固定桿

43‧‧‧止擋元件

431‧‧‧固定槽

432‧‧‧閥口

44‧‧‧彈性元件

45‧‧‧切換組件

451‧‧‧容置筒

452‧‧‧彈性套

453‧‧‧活塞

4531‧‧‧固定槽

454‧‧‧限位桿

455‧‧‧合金

50‧‧‧流路檢知器

60‧‧‧溫度感測器

70‧‧‧加熱裝置

A1‧‧‧工具機

D1‧‧‧移動方向

T1‧‧‧輸送管路

T2‧‧‧排出管路

T3‧‧‧第一管路

T4‧‧‧第二管路

T5‧‧‧回收管路

第1圖為本揭露之工具機恆溫控制系統的系統圖。

第2圖為本揭露之流路切換閥的立體圖。

第3圖為本揭露之流路切換閥的分解圖。

第4圖為本揭露之流路切換閥的剖示圖。

第5圖為本揭露之流路切換閥於一切換狀態的剖示圖。

第6圖為本揭露之工具機恆溫控制系統之控制方法的流程圖。

第7A圖與第7B圖為本揭露之工具機恆溫控制系統於一控制階段的示意圖。

以下之說明提供了許多不同的實施例、或是例子，用來實施本揭露之不同特徵。以下特定例子所描述的元件和排列方式，僅用來精簡的表達本揭露，其僅作為例子，而並非用以限制本揭露。例如，第一特徵在一第二特徵上或上方的結構之描述包括了第一和第二特徵之間直接接觸，或是以另一特徵設置於第一和第二特徵之間，以致於第一和第二特徵並不是直接接觸。

於此使用之空間上相關的詞彙，例如上方或下方等，僅用以簡易描述圖式上之一元件或一特徵相對於另一元件或特徵之關係。除了圖式上描述的方位外，包括於不同之方位使用或是操作之裝置。

可理解的是，於下列各實施例之方法中的各步驟中，可於各步驟之前、之後以及其間增加額外的步驟，且於前述的一些步驟可被置換、刪除或是移動。

第1圖為本揭露之工具機恆溫控制系統1的系統圖。工具機恆溫控制系統1用以調整一工具機A1運作時之溫度。於本實施例中，工具機恆溫控制系統1用以將工具機A1之部分部件維持於一預定溫度範圍內，例如21.5℃至22.5℃之間。上述工具機A1可為金屬切削工具機A1或金屬成型工具機A1。金屬切削工具 機A1可為車床、鑽床、銑床、磨床、鉋床、或放電加工機。金屬成型工具機A1可為沖床、剪床、或鍛造床。

工具機恆溫控制系統1，包括一儲存槽10、一泵浦20、一冷卻裝置30、以及一流路切換閥40。儲存槽10用以容納一工作流體。儲存槽10可為一油箱。上述之工作流體可為一冷卻油。

儲存槽10與工具機A1之間以一輸送管路T1連接，儲存槽10之工作流體可經由輸送管路T1輸送至工具機A1。流經工具機A1之工作流體與工具機A1進行熱平衡後可調整工具機A1之溫度，以使工具機A1運作時之溫度保持於預定溫度範圍內。

泵浦20設置於輸送管路T1，用以從儲存槽10輸送工作流體至工具機A1。於一些實施例中，經由輸送管路T1輸送至工具機A1之工作流體的溫度可為一注入溫度。於一些實施例中，注入溫度為20℃。注入溫度可依據室溫、工具機A1使用之零件、以及工具機A1所進行之製程等不同而作調整。

一般而言，由於工具機A1運作時會產生熱量，因此控制溫度低於預定溫度範圍，藉以使得工作流體冷卻工具機A1後使得工具機A1之溫度位於預定溫度範圍內。

冷卻裝置30用以冷卻流過工具機A1之工作流體，並將冷卻後之工作流體經由一回收管路T5輸送至儲存槽10。由於流經工作機之工作流體可能被加溫超過預定溫度範圍，例如25℃。因此，需要將流經工作機之工作流體經由冷卻裝置30進行降溫後才進行回收利用。

流路切換閥40經由一排出管路T2由工具機A1連接。流經工具機A1之工作流體，經由排出管路T2流進流路切換閥40內。於一些實施例中，輸送管路T1與排出管路T2相互連通。

流路切換閥40經由排出管路T2接收工作流體後，流路切換閥40依據工作流體之溫度將工作流體經由一第一管路T3輸送至儲存槽10，或是經由一第二管路T4輸送至冷卻裝置30。

於本實施例中，當流經流路切換閥40之工作流體的溫度大於一控制溫度時，流路切換閥40將工作流體經由第二管路T4輸送至冷卻裝置30，藉以將工作流體冷卻後注入儲存槽10回收。於一些實施例中，控制溫度等於或大致等於注入溫度，例如20℃。於一些實施例中，控制溫度等於或大致等於預定溫度範圍的中間值，例如22℃。

由於工具機A1所執行之製程等因素，可能會導致工具機A1所產生之熱不足以讓流經工具機A1之工作流體的溫度超過控制溫度。或是，氣候等因素導致室溫與工具機本身之溫度降低，亦可能會造成工作流體的溫度低於或等於控制溫度。此時若工作流體經由第二管路T4流經冷卻裝置30時，工作流體之溫度會進一步降低，可能會造成工作流體注入工具機A1之溫度低於注入溫度，進而造成工具機A1之溫度不穩定，或是需要浪費能源讓加熱裝置70加熱儲油槽。

因此當流經流路切換閥40之工作流體的溫度小於等於控制溫度時，流路切換閥40將工作流體經由第一管路T3輸送至儲存槽10。因此，工作流體可不需經過冷卻裝置30進行冷卻藉以節省電力，並可輔助穩定工作流體供應至工具機A1之溫度。

於一些實施例中，工具機恆溫控制系統1更包括一流路檢知器50，冷卻裝置30可包括一壓縮機31。流路檢知器50連接於流路切換閥40，用以檢測流路切換閥40供應工作流體至冷卻裝置30或是儲存槽10。

當流路切換閥40供應工作流體至冷卻裝置30時，流路檢知器50產生一啟動訊號，藉以啟動冷卻裝置30之壓縮機31。當流路切換閥40供應工作流體至冷卻裝置30時，流路檢知器50產生一啟動訊號，藉以啟動冷卻裝置30之壓縮機31。當流路切換閥40供應工作流體至儲存槽10時，流路檢知器50產生一關閉訊號，藉以關閉或停止運作冷卻裝置30之壓縮機31，藉以節省能源。

由於氣候等因素，使得室溫可能會遠低於注入溫度或是控制溫度，進而使得儲存槽10之內之工作流體的溫度遠低於注入溫度，例如18℃。當儲存槽10內之工作流體注入工具機A1時，可能會造成工具機A1的溫度低於預定溫度範圍。此外，若室溫進一步下降，可能會造成增加工作流體的黏滯性或是凝固，造成工作流體難以於管路中流動。

因此，於本實施例中，工具機恆溫控制系統1更包括一溫度感測器60以及一加熱裝置70。溫度感測器60可耦接於泵浦20與工具機A1之間的輸送管路T1，用以測量流入工具機A1之工作流體之溫度。加熱裝置70可設置於儲存槽10內，用以依據溫度感測器60所測量之溫度，提高儲存槽10內之工作流體的溫度，進而能維持工作流體注入工具機A1時的溫度接近或是等於注入溫度。

第2圖為本揭露之流路切換閥40的立體圖。第3圖為本揭露之流路切換閥40的分解圖。第4圖為本揭露之流路切換閥40 的剖示圖。流路切換閥40包括一殼體41、一固定桿42、一止擋元件43、一彈性元件44以及一切換組件45。

於本實施例中，殼體41包括一上殼體41a以及一下殼體41b。上殼體41a與下殼體41b可以螺接的方式結合。殼體41之內部形成一主腔室411、連通於主腔室411之一次腔室412、以及與主腔室411和次腔室412相互連通之閥口414。此外，閥口414可位於主腔室411與次腔室412之間。

殼體41具有一注入口415、一第一排出口416、以及一第二排出口417。注入口415連通於排出管路T2與主腔室411，換句話說，注入口415連通於工具機A1。第一排出口416連通於第一管路T3與主腔室411，換句話說第一排出口416連通於儲存槽10。第二排出口417連通於第二管路T4與次腔室412，換句話說，第二排出口417連通於冷卻裝置30。

固定桿42固定於殼體41內。於本實施例中，固定桿42之一端固定於次腔室412頂部之中央。且沿一移動方向D1延伸。

止擋元件43固定於殼體41內，止擋元件43可由彈性材質所制成。於本實施例中，止擋元件43位於主腔室411並鄰近於第一排出口416。止擋元件43之中央形成一閥口432。閥口432與主腔室411和第一排出口416相互連通，且閥口432可位於主腔室411與第一排出口416之間。於一些實施例中，止擋元件43可與殼體41一體成形。

彈性元件44抵接於止擋元件43以及切換組件45之活塞453，用以提供一彈性力於切換組件45。於本實施例中，彈性元件44可為一彈簧。

切換組件45包括一容置筒451、一彈性套452、一活塞453、以及一限位桿454。容置筒451可移動地設置於殼體41內之固定桿42，因此藉由固定桿42可限制容置筒451於移動方向D1上移動。於本實施例中，固定桿42穿過容置筒451之頂部進入容置筒451之內部。

彈性套452套設於固定桿42之一端，並位於容置筒451內。彈性套452之材質可為橡膠等彈性材質。活塞453裝設於容置筒451與殼體41之間。此外，彈性套452位於固定桿42與合金455之間。活塞453之材質可為彈性材質，於本實施例中，活塞453環繞並接觸容置筒451之外側壁，且接觸主腔室411之內側壁。

於本實施例中，活塞453可包括一固定槽4531，止擋元件43具有朝向固定槽4531之一固定槽431。固定槽4531與固定槽431可為環形。彈性元件44之兩端分別固定於固定槽4531與固定槽431內。

限位桿454設置於殼體41內。限位桿可穿過止擋元件43之閥口432。限位桿454之一端固定於主腔室411之底部。限位桿454之另一端可移動地設置於容置筒451之底部並延伸至容置筒451內且接觸合金455。於本實施例中，限位桿454沿移動方向D1延伸，因此可限制切換組件45於移動方向D1上移動。

容置筒451用以容納一合金455。合金455之熔點對應於控制溫度。也就是說，合金455低於一控制溫度時開始固化並體積縮小，且高於控制溫度時開始液化並體積膨脹。

舉例而言，合金455之材質可為鎵錫合金，其中錫占合金455約8%重量百分比，以使合金455之熔點調整為20℃。需說 明的是，為了使合金455的熔點配合不同之控制溫度，因此合金455之成份與比例並不以此實施例所揭露的材質為限。

於一些實施例中，合金455之材質可為鎵錫合金，錫占合金455約10%重量百分比，以使合金455之熔點調整為17℃。於一些實施例中，合金455之材質可為鎵銦合金，銦占合金455約18%重量百分比，以使合金455之熔點調整為22℃。於一些實施例中，合金455之材質可為鎵銦合金，銦占合金455約25%重量百分比，以使合金455之熔點調整為16℃。

當工作流體經由注入口415流進殼體41內時，工作流體接觸容置筒451，且與合金455進行熱平衡。當合金455由一固化狀態變為一液態狀態，或是由一液化狀態變為一固化狀態時，藉由合金455之體積的變化能使容置筒451相對於固定桿42移動。因此切換組件45能藉由合金455之固化移動至第一位置(如第4圖所示)，且藉由合金455之液化移動至第二位置(如第5圖所示)。

如第4圖所示，合金455為一固化狀態。工作流體之溫度低於控制溫度，合金455進行熱平衡後固化，體積縮小，因此可藉由彈性元件44之彈力，將切換組件45朝向殼體41之頂部移動至第一位置。此時活塞453抵接於主腔室411之頂部並且切換組件45之活塞453與容置筒451覆蓋閥口414，因此切換組件45之活塞453與容置筒451止擋工作流體經由第二排出口417排出於殼體41。

此外，由於切換組件45移動至第一位置，因此切換組件45之容置筒451脫離閥口432。因此，此時切換組件45僅可允許工作流體經由第一排出口416排出於殼體41。

如第5圖所示，合金455為一液化狀態。工作流體之溫度高於控制溫度，合金455進行熱平衡後液化，體積膨脹。此時合金455因為體積膨脹而擠壓並推擠彈性套452，彈性套452應合金455之擠壓變形並推擠固定桿42。切換組件45相對於固定桿42之底端產生一推力，且此推力大於彈性元件44之彈性力，因此推動切換組件45朝向主腔室411之底部的第一排出口416與閥口432移動至第二位置。換句話說，由於限位桿454固定於殼體41，因此容置筒451可沿限位桿454以移動方向D1移動至第二位置。

當切換組件45位於第二位置時，容置筒451之底端可覆蓋閥口432，且由於活塞453於移動方向D1上相較於注入口415接近第一排出口416，因此切換組件45之活塞453與容置筒451止擋工作流體經由第一排出口416排出於殼體41。

此外，由於切換組件45移動至第二位置，切換組件45之容置筒451脫離閥口432，因此，此時切換組件45僅可允許工作流體經由第二排出口417排出於殼體41。

由於流路切換閥40藉由機械式的控制依據工作流體之溫度切換流道，能提高流路切換閥40的難用度，不易損壞。

第6圖為本揭露之工具機恆溫控制系統1之控制方法的流程圖。第7A圖與第7B圖為本揭露之工具機恆溫控制系統1於一控制階段的示意圖。於步驟S101中，泵浦20開始抽取儲存槽10中之工作流體並經由輸送管路T1傳送至工具機A1。此時，工具機A1與冷卻裝置30可開始運轉。

溫度感測器60測量流入工具機A1之工作流體的溫度，並傳送一溫度測量訊號於加熱裝置70。當溫度低於注入溫度時，加熱裝置70依據溫度測量訊號加熱儲存槽10。

於步驟S103中，流路切換閥40依據工作流體之溫度，將工作流體傳送至冷卻裝置30或是直接傳送回儲存槽10進行回收。

步驟S105中，當工作流體經由注入口415進入流路切換閥40後，合金455與工作流體進行熱平衡，當流經流路切換閥40之工作流體的溫度大於控制溫度時，合金455進行液化並膨脹，進而使得切換組件45位於第二位置。因此，流路切換閥40將工作流體經由第二管路T4輸送至冷卻裝置30進行冷卻。冷卻後之工作流體經由回收管路T5進入儲存槽10。

於步驟S107中，當流經流路切換閥40之工作流體的溫度小於控制溫度時，合金455進行固化並膨脹，進而使得切換組件45位於第一位置(如第4圖所示)。因此，流路切換閥40將工作流體經由第一管路T3輸送回儲存槽10。

本實施例之流路檢知器50，用以檢測切換組件45的位置，其中當切換組件45位於第二位置時，流路檢知器50傳送一啟動訊號至冷卻裝置30，且冷卻裝置30依據啟動訊號啟動。當切換組件45位於第一位置時，流路檢知器50傳送一關閉訊號至冷卻裝置30，且冷卻裝置30依據關閉訊號停止運作。藉此適時的關閉冷卻裝置30，進而節省能源。

綜上所述，本揭露之工具機恆溫控制系統，能依據工作流體之溫度判斷是否輸送至冷卻裝置進行冷卻或是直接輸送 之儲存槽進行回收，能減省冷卻之能源。此外，藉由流路切換閥之合金等進行機械式之流路切換，能提高流路切換閥之使用壽命。

本揭露雖以各種實施例揭露如上，然而其僅為範例參考而非用以限定本揭露的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾。因此上述實施例並非用以限定本揭露之範圍，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧工具機恆溫控制系統

10‧‧‧儲存槽

20‧‧‧泵浦

30‧‧‧冷卻裝置

31‧‧‧壓縮機

40‧‧‧流路切換閥

50‧‧‧流路檢知器

60‧‧‧溫度感測器

70‧‧‧加熱裝置

A1‧‧‧工具機

T1‧‧‧輸送管路

T2‧‧‧排出管路

T3‧‧‧第一管路

T4‧‧‧第二管路

T5‧‧‧回收管路

Claims (7)

1. 一種工具機恆溫控制系統，用以調整一工具機運作時之溫度，該工具機恆溫控制系統包括：一儲存槽，用以容納一工作流體；一泵浦，用以從該儲存槽輸送該工作流體至該工具機；一冷卻裝置，用以冷卻流過該工具機之該工作流體，並將冷卻後之該工作流體輸送至該儲存槽；以及一流路切換閥，經由一排出管路從該工具機接收該工作流體，並用以依據該工作流體之溫度將該工作流體經由一第一管路輸送至該儲存槽，或是經由一第二管路輸送至該冷卻裝置，該流路切換閥包括：一殼體，包括連通於該工具機之一注入口、連通於該第一管路之一第一排出口、以及連通於該第二管路之一第二排出口；以及一切換組件，可移動地設置於該殼體內，且包括一容置筒，可移動地設置於該殼體內，且用以容納一合金，其中該合金低於一控制溫度時開始固化並體積縮小，且高於該控制溫度時開始液化並體積膨脹，其中該切換組件藉由該合金之固化移動至一第一位置，且藉由該合金之液化移動至一第二位置，其中當該切換組件位於該第一位置時，該流路切換閥允許該工作流體僅可經由該第一排出口排出於該殼體，其中當該切換組件位於該第二位置時，該流路切換閥允 許該工作流體僅可經由該第二排出口排出於該殼體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之工具機恆溫控制系統，更包括：一溫度感測器，用以測量流入該工具機之該工作流體之溫度；以及一加熱裝置，用以依據該溫度感測器所測量之溫度，提高該儲存槽內之該工作流體的溫度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之工具機恆溫控制系統，更包括一流路檢知器，用以檢測該切換組件的位置，其中當該切換組件位於該第二位置時，該流路檢知器傳送一啟動訊號至該冷卻裝置，且該冷卻裝置依據該啟動訊號啟動，其中當該切換組件位於該第一位置時，該流路檢知器傳送一關閉訊號至該冷卻裝置，且該冷卻裝置依據該關閉訊號停止運作。
4. 一種流路切換閥，包括：一殼體，包括一注入口、一第一排出口、以及一第二排出口；一固定桿，固定於該殼體；以及一切換組件，包括一容置筒，可移動地設置於該殼體內以及該固定桿，且用以容納一合金，其中該合金低於一控制溫度時開始固化並體積縮小，且高於該控制溫度時開始液化並體積膨脹，以及一工作流體經由該注入口流進該殼體內並 接觸該容置筒，且與該合金進行熱平衡，其中當該合金由一固化狀態變為一液態狀態，或是由一液化狀態變為一固化狀態時，該合金使該容置筒相對於該固定桿移動，其中當該合金因該工作流體之溫度固化時，該切換組件允許該工作流體僅可經由該第一排出口排出於該殼體，且當該合金因該工作流體之溫度液化時，該切換組件允許該工作流體僅可經由該第二排出口排出於該殼體。
5. 如申請專利範圍第4項所述之流路切換閥，其中該切換組件更包括一彈性套，套設於該固定桿之一端，並位於該容置筒內，且位於該固定桿與該合金之間。
6. 如申請專利範圍第4項所述之流路切換閥，其中該切換組件更包括一活塞，裝設於該容置筒與該殼體之間，其中當該合金因該工作流體之溫度固化時，該活塞止擋該工作流體經由該第二排出口排出於該殼體，且當該合金因該工作流體之溫度液化時，該活塞止擋該工作流體經由該第一排出口排出於該殼體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之流路切換閥，更包括：一止擋元件，固定於該殼體內；以及一彈性元件，抵接於該止擋元件以及該活塞，用以提供一彈性力於該切換組件。