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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Temperieren unterschiedlicher Komponenten einer Druck- oder Werkzeugmaschine mit einem Kältemittelkreislauf und ein Verfahren zum Temperieren unterschiedlicher Komponenten einer Druckmaschine oder einer Werkzeugmaschine.
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Wie beispielsweise in dem Dokument
DE 44 42 072 A1 beschrieben ist, hat eine Druckmaschine einen Feuchtmittelkreislauf sowie einen Kühlmittelkreislauf für eine Walzenkühlung. Um diese beiden Komponenten der Druckmaschine, das heißt das Feuchtmittel und das Kühlmittel für die Walzenkühlung zu kühlen, ist ein Kältemittelkreislauf mit einem Paar Verdampfer sowie einem Kondensator und einem Kompressor angeordnet. Jeweils ein Verdampfer zum Verdampfen des in dem Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittels steht in wärmetauschender Verbindung mit einer der beiden Komponenten. Ein- und Ausgänge der beiden Verdampfer sind jeweils zusammengeführt, um das aus den Verdampfern austretende Kältemittel mit nur einem einzigen Kompressor zu verdichten und über nur einen einzigen Kondensator zu den Eingängen der beiden Verdampfer zurückzuführen.
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Das Dokument
EP 0 602 312 B1 zeigt ein ähnliches System, ebenfalls für die Kühlung eines Feuchtmittels sowie eine interne Walzenkühlung einer Druckmaschine.
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Die vorstehend beschriebenen Systeme weisen ein Minimum an Bauteilen auf, weil für die Temperierung der beiden Komponenten jeweils ein und derselbe Kompressor und ein und derselbe Kondensator zum Einsatz kommen. Unterschiedliche Temperaturniveaus und/oder Wärmemengen bzw. Durchsätze werden durch die getrennten Verdampfer realisiert.
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Wenn jedoch die Wärmemenge zum Temperieren der unterschiedlichen Komponenten und/oder die gewünschte Temperatur der beiden Komponenten zu stark voneinander abweicht, verschlechtert sich ein Wirkungsgrad der Anlage. Dies könnte dadurch gelöst werden, dass zwei getrennte Kältemittelkreise angeordnet werden. Dies erhöht jedoch die Anzahl der Komponenten und die Baugröße des Gesamtsystems und ist wiederum nachteilig.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der Schaffung einer Kühlvorrichtung zum Temperieren unterschiedlicher Komponenten, die ein Minimum an Bauteilen aufweist und gleichzeitig sehr effizient betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem Gesichtspunkt wird eine Kühlvorrichtung zum Temperieren bzw. Kühlen unterschiedlicher Komponenten einer Druckmaschine oder einer Werkzeugmaschine mit einem Kältemittelkreislauf zur Verfügung gestellt,
wobei der Kältemittelkreislauf einen ersten Verdampfer/Wärmetauscher und einen ersten Kompressor zum Temperieren eines einer ersten Komponente zugeordneten ersten Fluids aufweist,
wobei der Kältemittelkreislauf einen zweiten Verdampfer/Wärmetauscher und einen zweiten Kompressor zum Temperieren eines einer zweiten Komponente zugeordneten zweiten Fluids aufweist, und
wobei der Kältemittelkreislauf einen Kondensator/Wärmetauscher aufweist, dessen Eingang mit den Ausgängen beider Kompressoren verbunden ist und dessen Ausgang jeweils mit den Eingängen beider Verdampfer verbunden ist.
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Indem jeder Kältemittelkreislauf einen eigenen Kompressor aufweist, kann der Kompressor in seiner Größe und Bauart optimal auf die erforderliche Kühltemperatur sowie die erforderliche Wärmemenge abgestimmt werden. Der Kompressor läuft somit jeweils in seinem Betriebsbereich mit dem höchsten Wirkungsgrad. Indem des weiteren ein einziger Kondensator für beide Kältemittelkreisläufe angeordnet ist, kann die Anzahl der notwendigen Komponenten auf ein Minimum verringert werden.
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Insbesondere, wenn der erste Kompressor ein Vielfaches der Leistung des zweiten Kompressors hat, beispielsweise das 1,5 bis 3-fache, wird eine besonders vorteilhafte Wirkungsgraderhöhung erzielt.
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Vorzugsweise hat das Kältemittel am Eingang des ersten Verdampfers etwa 3°C bis 7°C und am Ausgang des ersten Verdampfers etwa 10°C bis 20°C, während das Kältemittel am Eingang des zweiten Verdampfers etwa 0°C bis 5°C hat und am Ausgang des zweiten Verdampfers etwa 8°C bis etwa 12°C.
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Indem ein einstellbares oder steuer- oder regelbares Expansionsventil am Eingang der Verdampfer jeweils angeordnet wird, kann ein vorteilhaftes Druck- und Temperaturniveau zum Wirkungsgrad-optimierten Betreiben der Kälteanlage erzielt werden.
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Vorteilhafterweise ist auch zumindest einer der Kompressoren in seiner Leistung stufenlos regel- oder steuerbar, um insbesondere in Verbindung mit dem Steuern des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils einen Wirkungsgrad-optimierten Betriebsbereich der Anlage zu erzielen. Hierzu wird besonders vorteilhaft ein Kompressor mit variablem Hubvolumen, wie beispielsweise ein Taumelscheibenkompressor eingesetzt, der permanent in Betrieb ist und bei dem lediglich das Hubvolumen von in Zylindern auf- und abgehender Kolben variabel ist.
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Vorzugsweise ist ein Strömungsquerschnitt des Expansionsventils so einstellbar, dass das Kältemittel am Ausgang des ersten und zweiten Verdampfers im wesentlichen gasförmig ist.
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Weiter bevorzugt sind Druck- und/oder Temperaturerfassungsmittel zum Erfassen der Drücke und/oder Temperaturen an einer Vielzahl von Positionen des Kältemittelkreislaufs angeordnet.
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Vorzugsweise beträgt der Druck am Kompressorausgang etwa 2000 bis etwa 3000 kPa beträgt und am Eingang der beiden Verdampfer etwa 300 bis etwa 600 kPa.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Temperieren unterschiedlicher Komponenten einer Druckmaschine oder einer Werkzeugmaschine mit folgenden Schritten zur Verfügung gestellt:
Kühlen eines einer ersten Komponente zugeordneten ersten Fluids in einem ersten Verdampfer,
Kühlen eines einer zweiten Komponente zugeordneten zweiten Fluids in einem zweiten Verdampfer,
Komprimieren eines aus dem ersten Verdampfer austretenden Kältemittels in einem ersten Kompressor,
Komprimieren eines aus dem zweiten Verdampfer austretenden Kältemittels in einem zweiten Kompressor,
Kondensieren des aus den beiden Kompressoren austretenden Kältemittels in einem Kondensator, und
Zuführen des Kältemittels von dem Kondensator zu den Eingängen der beiden Verdampfer.
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Vorzugsweise weist das Verfahren des weiteren die folgenden Schritte auf:
Einstellen oder Steuern oder Regeln eines den Eingängen der Verdampfer vorgeschalteten Expansionsventils und/oder Einstellen einer Kompressorleistung zumindest eines der beiden Kompressoren derart, dass ein vorgegebenes Druck- und/oder Temperaturniveau an vorgegebenen Positionen im Kältemittelkreislauf erzielt wird.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt ein Blockschaltbild der Kühlvorrichtung zum Temperieren eines Feuchtmittelkreislaufs sowie eines Kühlfluidkreislaufs für eine Walzenkühlung einer Druckmaschine.
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2 zeigt ein weiteres Blockschaltbild ähnlich 1, jedoch mit zusätzlichen Speichertanks in dem Feuchtmittelkreislauf und dem Kühlfluidkreislauf der Walzenkühlung.
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Obwohl in dem Ausführungsbeispiel die Kühlvorrichtung zum Temperieren unterschiedlicher Komponenten anhand einer Druckmaschine erläutert wird, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch bei einer Werkzeugmaschine mit zwei unterschiedlichen zu temperierenden Komponenten oder Bauteilen, wie beispielsweise einer Bohrer- oder Fräserkühlung, Walzenkühlung, Spindelkühlung oder dergleichen angewandt werden.
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Wie in 1 gezeigt ist, gibt es als erste zu temperierende Komponente einen Temperierkreislauf FT, in dem ein Fluid, wie beispielsweise eine Flüssigkeit zur Walzenkühlung einer Druckmaschine (nicht gezeigt), durch Betreiben einer Temperierkreispumpe 31 zirkuliert wird. Des weiteren gibt es einen Feuchtmittelkreislauf FM zum Temperieren eines Feuchtmittels der Druckmaschine (nicht gezeigt), der ebenfalls eine Pumpe, das heißt eine Feuchtmittelkreispumpe 41, zum Zirkulieren aufweist.
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Die Pumpen 31, 41 können einfache Umwälzpumpen mit einem konstanten Volumenstrom sein. Vorzugsweise werden jedoch gesteuerte oder geregelte Pumpen 31, 41 eingesetzt, bei den der Volumenstrom entsprechend gesteuert oder geregelt werden kann.
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Die zu temperierenden Fluide zum Temperieren der unterschiedlichen Komponenten werden zum Abkühlen bzw. für den Wärmeaustausch durch entsprechende Verdampfer 11, 12 einer Kälteanlage geleitet. Die Verdampfer 11, 12 weisen hierzu an ihrem Eingang ein (nicht gezeigtes) Drosselventil oder eine Drosseldüse auf, um das im flüssigen Zustand in die Verdampfer 11, 12 einlaufende Kältemittel so zu drosseln, dass durch den hierdurch entstehenden Druckabfall sowie den Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden Fluid der Kreisläufe FT, FM ein Verdampfen des Kältemittels in den Verdampfern 11, 12 auftritt.
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Auf diese Weise ist das Kältemittel am Ausgang der Verdampfer 11, 12 im wesentlichen gasförmig und wird im gasförmigen Zustand über eine Verbindungsleitung 21, 23 zu dem zugeordneten nachgeschalteten Kompressor 13, 14 befördert. Die Kompressoren 13, 14 sind jeweils so ausgelegt, dass sie im Bereich ihres optimalen Wirkungsgrads das gasförmige Kältemittel aus den Verbindungsleitungen 21, 23 auf einen Druck in der Höhe von 20 bis 30 bar (2000 bis 3000 kPa) erhöhen. Dabei erhöht sich auch die Temperatur des Kältemittels auf etwa 80 bis 110°C. Das Kältemittel wird nun in diesem Zustand einer gemeinsamen Hochdruckleitung 24 zugeführt, die in einen Kondensator 17 mündet.
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Durch entsprechendes Kühlen des Kondensators 17, beispielsweise mittels eines Lüfters 18, wird eine Kondensation des Kältemittels im Kondensator 17 erzeugt, so dass aus dem Kondensator 17 austretendes Kältemittel verflüssigt ist. Das verflüssigte Kältemittel wird über eine gemeinsame Flüssigkeitsleitung 25 zu einer ersten Flüssigkeitsleitung 26 und einer zweiten Flüssigkeitsleitung 27 befördert, die jeweils über optionale einstellbare bzw. regel- oder steuerbare Expansionsventile 15, 16 mit dem Eingang der Verdampfer 11, 12 verbunden sind.
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Durch entsprechendes Einstellen oder Konfigurieren einer in den Verdampfern 11, 12 angeordneten Drossel und/oder entsprechendes Einstellen bzw. Steuern oder Regeln der optionalen Expansionsventile 15, 16 wird am Eingang des ersten Verdampfers 11 ein Temperaturniveau von etwa 3°C bis etwa 7°C erzielt. Der erste Verdampfer 11 ist dabei in seiner Größe so ausgelegt, dass das in dem ersten Verdampfer 11 verdampfte Kältemittel am Ausgang des ersten Verdampfers 11 eine Temperatur von etwa 10°C bis etwa 20°C aufweist. Der zweite Verdampfer 12 hingegen ist so ausgelegt, dass das mit etwa 0°C bis etwa 5°C in den zweiten Verdampfer 12 eintretende flüssige Kältemittel in dem Verdampfer 12 verdampft und an dessen Ausgang ein Temperaturniveau im Bereich von etwa 8°C bis etwa 12°C aufweist.
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Dementsprechend erhält der erste Kompressor 13 gasförmiges Kältemittel mit einer Temperatur von etwa 10°C bis etwa 20°C und erhöht den Druck auf etwa 2000 bis 3000 kpa, wobei sich die Temperatur auf etwa 80°C bis etwa 110°C erhöht. Der zweite Kompressor 14 empfängt das gasförmige Kältemittel aus der Verbindungsleitung 23 mit einer Temperatur von etwa 8°C bis etwa 12°C und erhöht dessen Druck ebenfalls auf etwa 2000 kpa bis etwa 3000 kpa, wobei sich die Temperatur ebenfalls auf etwa 80°C bis etwa 110°C erhöht.
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Der erste Kompressor 13 ist dabei wesentlich größer als der zweite Kompressor 14, weil der erste Kompressor 13 eine wesentlich größere Wärmemenge, beispielsweise die 1,5 bis 3-fache Wärmemenge, zu bewältigen hat. Obwohl das Temperaturniveau des zweiten Verdampfers 12 in Verbindung mit dem zweiten Kompressor 14 niedriger ist als jenes des ersten Verdampfers 11 in Verbindung mit dem ersten Kompressor 13, ist eine abzuführende Wärmeleistung des ersten Verdampfers 11 in Verbindung mit dem ersten Kompressor 13 ein Vielfaches höher als jene des zweiten Verdampfers 12 in Verbindung mit dem zweiten Kompressor 14.
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Aufgrund dieses Leistungsunterschieds ist es besonders vorteilhaft, zwei unterschiedliche Kompressoren einzusetzen. Jeder Kompressor kann bei dieser Anordnung optimal auf das Leistungs- und Temperaturniveau angepaßt werden, so dass der Wirkungsgrad jedes Kompressors 13, 14 optimiert werden kann. Im Gegensatz hierzu könnte ein einzelner Kompressor, wie im Stand der Technik, nicht in dem Bereich seines optimalen Wirkungsgrads betrieben werden.
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Darüber hinaus kann zumindest einer der beiden Kompressoren 13, 14 in seiner Leistung regel- bzw. steuerbar sein. Hierzu eignet sich besonders ein sogenannter Taumelscheibenkompressor, bei dem ein Hubvolumen der in Zylindern angeordneten Kolben variabel ist. Es kann jedoch auch nur einer der beiden Kompressoren regel- bzw. steuerbar sein, während der zweite ein einfacher nicht steuerbarer Kompressor sein kann. Auch kann einer der beiden Kompressoren 13, 14 über einen längeren Zeitraum gar nicht in Betrieb sein, wenn ein Temperieren des entsprechenden Kreislaufs nicht benötigt wird und insoweit nur einer der beiden Kompressoren 13, 14 in Betrieb ist.
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Da die beiden Verdampfer 11, 12 in Verbindung mit den beiden Kompressoren 13, 14 den gemeinsamen Kondensator 17 verwenden, kann eine Anzahl von Bauteilen der Kälteanlage minimiert werden. Die Expansionsventile 15, 16 können manuell einstellbare Drosseln sein oder durch Schrittmotoren betätigte, im Durchlassquerschnitt stufenlos variabel einstellbare Ventile oder einfache Auf-Zu-Magnetventile sein, die entsprechend getaktet werden. Darüber hinaus können in den Kältemittelkreisläufen (nicht gezeigte) Puffervolumen angeordnet werden, um Druckschwankungen zu verringern. Anstelle des Lüfters 18 kann auch eine Flüssigkeitskühlung, wie beispielsweise das Durchströmen des Kondensators 17 mit fließendem Wasser, angeordnet werden.
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In 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem in den Kreisläufen FM und FT zusätzlich Puffertanks 32, 42 angeordnet sind, um gekühltes Kühlmittel zu speichern. Dadurch kann eine minimale Einschaltdauer der Kompressoren 13, 14 sichergestellt werden, ohne das Kühlmittel in den Kreisläufen FM und FT zu stark abzukühlen.
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Die Volumina der Puffer- oder Speichertanks 32, 42 werden dabei in Abhängigkeit von der Kompressorleistung bestimmt. Vorzugsweise hat dabei jeder Puffertank 32, 42 ein Volumen von etwa 10 Liter pro kW Kompressorleistung, d. h. der dem ersten Kompressor 13 zugeordnete Puffertank 32 hat bei einer Kompressorleistung von beispielsweise etwa 15 kW ein Volumen von etwa 150 Liter, während der dem zweiten Kompressor 14 zugeordnete Puffertank 42 bei einer Kompressorleistung von beispielsweise etwa 5 kW ein Volumen von etwa 50 Liter aufweist.
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Obwohl in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Feuchtmittelkreislauf FM sowie ein Temperierkreislauf FT für eine Walzenkühlung einer Druckmaschine als Beispiel angeführt werden, können auch andere Arten von Druck oder Werkzeugmaschinen, bei denen zwei unterschiedliche Komponenten zu temperieren sind, mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gekühlt werden. Beispiele hierfür sind eine Bohr- oder Fräsemulsion, Bohröl, eine Spindelkühlung einer Drehbank, Fräsmaschine oder dergleichen.
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Die Verdampfer 11, 12 sind vorzugsweise als Plattenwärmetauscher zum Kühlen des Kühlfluids des Kreislaufes FM bzw. FT ausgeführt. Diese können jedoch auch als Röhren oder Rohrwärmetauscher ausgeführt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- erster Verdampfer
- 12
- zweiter Verdampfer
- 13
- erster Kompressor
- 14
- zweiter Kompressor
- 15
- erstes Expansionsventil
- 16
- zweites Expansionsventil
- 17
- Kondensator
- 18
- Lüfter
- 20
- Ausgang erster Verdampfer
- 21
- Verbindungsleitung erster Verdampfer/Kompressor
- 22
- Ausgang zweiter Verdampfer
- 23
- Verbindungsleitung zweiter Verdampfer/Kompressor
- 24
- gemeinsame Hochdruckleitung
- 25
- gemeinsame Flüssigkeitsleitung
- 26
- erste Flüssigkeitsleitung
- 27
- zweite Flüssigkeitsleitung
- 31
- Temperierkreispumpe
- 32
- Puffertank
- 41
- Feuchtmittelkreispumpe
- 42
- Puffertank
- FM
- Feuchtmittelkreislauf
- FT
- Temperierkreislauf
