用于借助pcm冷卻機(jī)器元件的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的前序部分所述的具有集成的、內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)的機(jī)器元件、尤其是電機(jī)主軸或機(jī)電的驅(qū)動單元，并且本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求11的前序部分所述的封閉的冷卻回路，其包含具有集成的、內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)的機(jī)器元件。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，對機(jī)床中的機(jī)器元件進(jìn)行冷卻具有重要的意義?，F(xiàn)代機(jī)床具有高的精度并且尤其是在形狀結(jié)構(gòu)上在近年來對機(jī)床和安裝在機(jī)床內(nèi)的電機(jī)主軸的要求-主要是對銑頭的主軸的要求有了極大的提高。工件的表面加工質(zhì)量主要受到工作主軸、加工過程的振動以及受到電機(jī)主軸和機(jī)架的溫度變化特性的損害。近年來，在特別是因切削加工工件而產(chǎn)生的振動方面已經(jīng)采取了許多措施，使得目前高性能的精密主軸滿足這些要求。
[0003]而在熱特性方面目前通過已知的冷卻可行方案達(dá)到了極限。理想化條件下的主軸在主軸內(nèi)部且在所有的運(yùn)行狀態(tài)上顯示出恒定的溫度和均勻的溫度分布。但是現(xiàn)實(shí)的情況有所不同:在運(yùn)行中主軸具有導(dǎo)致不均勻熱引入的點(diǎn)狀熱源。主軸內(nèi)部的典型熱源在此是軸承(摩擦)和馬達(dá)(銅損耗、鐵損耗、添加物損耗和諧波損耗)。這些熱源非均勻地加熱實(shí)際的電機(jī)主軸，由此在主軸內(nèi)部產(chǎn)生非均勻的溫度分布。在此，溫度不僅在周緣方向上變化(所謂的極性的溫度分布)，而且在軸向方向上變化。已知，在電機(jī)主軸中溫度分布的非均勻性可以隨著冷卻而減小，所述冷卻在不同負(fù)荷時(shí)也要保證溫度恒定。但是已知的冷卻系統(tǒng)尤其在精密主軸中不能足夠小地保持溫度差。已知的冷卻系統(tǒng)的所述受限的有效功率是目前的一個(gè)大問題。
[0004]安裝在機(jī)器、尤其是機(jī)床內(nèi)的機(jī)器元件在一定情況下采用具有閉合冷卻回路的冷卻系統(tǒng)來進(jìn)行冷卻或熱恒定。如已提到的那樣，由于不同的原因進(jìn)行冷卻:
-機(jī)器元件產(chǎn)生余熱，該余熱必須強(qiáng)制引出，以保證部件的功能。否則，部件由于過熱將會直接失靈，或者將會顯著降低效率、可用的功率或使用壽命。
[0005]-但是機(jī)器元件也必須熱恒定，以便正確地實(shí)現(xiàn)其功能例如工件加工。這尤其適用于主軸的與精度相關(guān)的部件，所述部件大多由鋼制成并且因其在溫度變化時(shí)的熱膨脹而改變其尺寸。
[0006]因?yàn)橥ǔＶ辉趩訝顟B(tài)下才必須將機(jī)床的機(jī)器元件加熱到運(yùn)行溫度，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)主要是保持冷卻功能。因此下面簡化地對冷卻回路進(jìn)行論述，即使該冷卻回路不僅用于純粹的不可控的冷卻，而且用于使得機(jī)器元件恒溫(即，冷卻功率適配于待引出的熱量)。此夕卜，這種冷卻回路也影響機(jī)器內(nèi)部的溫度分布，即在不同的機(jī)器元件之間(例如銑頭、銑頭的支座和在銑頭區(qū)域內(nèi)的機(jī)架)。此外，不詳細(xì)地討論但是可以簡化地闡述以下內(nèi)容:如果所有機(jī)器元件和所有在機(jī)床內(nèi)部的子部件具有相同的(運(yùn)行_)溫度，則保證了最好的狀態(tài)。以下將該溫度稱為理論溫度。下面描述的解決方案可以在需要時(shí)針對其它情況根據(jù)意義地進(jìn)行調(diào)整。該理論溫度處于室內(nèi)溫度范圍內(nèi)，通常略高于幾個(gè)開爾文(例如一般為24°C )，因此，與周圍空氣的對流趨于將少量的熱流輸?shù)江h(huán)境中去，而不是相反地讓機(jī)器冷卻來使得空間冷卻。下面由此進(jìn)行簡化:理論溫度位于環(huán)境溫度之上，其中，在相反的情況下根據(jù)意義進(jìn)行調(diào)整。
[0007]閉合的冷卻回路以公知的方式包括至少一個(gè)熱源、散熱器和管路系統(tǒng)，在該管路系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)在熱源與散熱器之間循環(huán)。通常該循環(huán)通過栗來迫使進(jìn)行。通常將基于水的冷卻劑用作適合的冷卻介質(zhì)，因?yàn)樗哂械偷恼扯群透叩谋葻崛萘俊５抢鋮s介質(zhì)的通流量受到熱源結(jié)構(gòu)(例如主軸的尺寸)的限制。因此，自一定的范圍起只能通過提高冷卻介質(zhì)的熱容量來提高散熱。在此，低粘度附加地易于循環(huán)。此外，冷卻介質(zhì)的小的通流量和小的粘度是有利的，因?yàn)橛纱耸沟霉苈泛屠醯某叽绺。⑶以趯醾鬟f給各熱源的散熱器時(shí)需要更小的必要的接觸表面。示范性地，在下面簡化地談?wù)撍鳛槔鋮s介質(zhì)，即使根據(jù)應(yīng)用并且出于某些原因其可以是其它液體。
[0008]圖1示意性地示出了具有閉合冷卻回路24的主軸冷卻系統(tǒng)的工作原理。待冷卻的電機(jī)主軸6 (熱源)借助于冷卻介質(zhì)或冷卻劑4 (例如水)進(jìn)行冷卻，所述冷卻介質(zhì)或冷卻劑由冷卻劑栗5驅(qū)動地通過冷卻管路7流到內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)8-在此是螺旋形地圍繞電機(jī)主軸6的周緣布置的冷卻管路-內(nèi)。從一體的主軸冷卻裝置或內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)8排出的且熱的冷卻介質(zhì)4本身再通過冷卻管路7流回到儲存器(散熱器)9內(nèi)，在那里又從冷卻介質(zhì)4中提取熱量。該熱提取在散熱器9的儲存器內(nèi)通過冷卻壓縮機(jī)1來實(shí)現(xiàn)，該冷卻壓縮機(jī)借助于溫度控制器2進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述冷卻壓縮機(jī)例如將冷卻介質(zhì)冷卻到24°C。在此，冷卻壓縮機(jī)1本身可以具有比24°C更低的溫度。在圖1所示的閉合冷卻回路24中，還安裝有具有警報(bào)觸點(diǎn)(Meldekontakt) 3的流量計(jì)(Str5mungswjichter)。圖2還示出了:內(nèi)部冷卻系統(tǒng)8的冷卻管路實(shí)際上會怎樣地布置在電機(jī)主軸中。
[0009]通常已知可以在機(jī)床中設(shè)有冷卻裝置。因此，例如EP1 252970A1公開了，如何在具有封閉罩的機(jī)床內(nèi)在考慮到冷卻回路和熱對流的情況下通過空氣可以使得機(jī)器的主要部件有利地接近參考溫度。文獻(xiàn)EP 376 178 A1公開了，如何設(shè)計(jì)機(jī)床中的電機(jī)主軸，所述機(jī)床具有帶有氣態(tài)的冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)充分冷卻。該文獻(xiàn)沒有涉及在始流(Vorlauf)和回流(RUcklauf)之間的溫度差的主題。EP 1 927 431 A1公開一種用于冷卻主軸的散熱器的有利的設(shè)計(jì)方案，采用該設(shè)計(jì)方案可以在窄的限度內(nèi)調(diào)節(jié)用于主軸的冷卻介質(zhì)的始流溫度。從該文獻(xiàn)可看出需要高的費(fèi)用，其與在傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中的恒溫有關(guān)。
[0010]在這種構(gòu)造的冷卻系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)的天然受限的熱容量由于多個(gè)原因限制了冷卻的熱排出和其它功能:
首先，冷卻介質(zhì)反應(yīng)“靈敏”，即，吸收的熱量與介質(zhì)的熱容量成反比地提高介質(zhì)溫度。在冷卻介質(zhì)進(jìn)入到熱源內(nèi)時(shí)溫度被迫低于在流出時(shí)的溫度。因此不能通過一個(gè)冷卻回路使得多個(gè)串聯(lián)的熱源(參見圖2)穩(wěn)定到相同溫度上，當(dāng)然不是所述熱源隨時(shí)間變化。但是，主軸或機(jī)器元件通常具有多于一個(gè)的熱源(例如在前軸承或后軸承上，或者在主軸中間區(qū)域內(nèi))，其中，理想地，機(jī)器元件的所有區(qū)域都應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定到相同的溫度上。該缺陷可以通過并聯(lián)連接來減小，但是這隨之帶來其它問題，例如控制通過冷卻網(wǎng)的不同并聯(lián)支路的流量。與冷卻回路的并聯(lián)或串聯(lián)、現(xiàn)有熱源的數(shù)量或所引導(dǎo)的冷卻介質(zhì)的質(zhì)量流無關(guān)地:通過這些措施絕不可能使得機(jī)器元件在時(shí)間上和區(qū)域上保持等溫-即部件到處都具有相同且恒定的溫度。
[0011]第二，從熱源到冷卻介質(zhì)的熱流取決于溫度差。如果源頭的溫度因產(chǎn)生的較高的熱量(例如由于更高的馬達(dá)功率)而升高，那么作為結(jié)果局部的熱吸收也會提高冷卻介質(zhì)的溫度(因此冷卻介質(zhì)反應(yīng)靈敏)。通過該溫度升高減小了熱源與冷卻介質(zhì)之間的溫度差并且由此減小了熱流，因此冷卻功率趨于降低，這正好是要求更高冷卻功率的情況和地方。
[0012]第三，冷卻功率主要取決于冷卻介質(zhì)的流量。如果流量增加，在給定管路橫截面的情況下所需的栗壓力增加。作為其結(jié)果，必須提高栗功率并且提高的栗壓力也必然加熱冷卻介質(zhì)。該余熱必須從冷卻介質(zhì)本身排出，并且因此已經(jīng)減小了在實(shí)際熱源上的冷卻功率。因此通過增加流量只能不成比例地提高可供使用的冷卻功率。
[0013]第四，在增加流量時(shí)存在隱患，即在冷卻介質(zhì)中形成渦流，這還會進(jìn)一步增大所需的栗壓力和相關(guān)的栗功率，并且導(dǎo)致所述可供使用的冷卻功率的減小。
[0014]第五，在實(shí)際中，管徑和橫截面的形狀通常不能自由選擇。相關(guān)的機(jī)器元件必須滿足各種要求并且其設(shè)計(jì)方案是對最佳地滿足這些要求的盡可能好的折衷?？晒├鋮s回路使用的空間是有限的并且因部件的復(fù)雜度而不同，其中主要受幾何形狀的限制(參見圖2中的冷卻管路)。
[0015]第六，對冷卻介質(zhì)的溫度的調(diào)節(jié)是關(guān)鍵性的困難。關(guān)于理論溫度的小公差只能通過用于調(diào)節(jié)的昂貴的設(shè)備以及傳感器、硬件和軟件來保證。通常這些冷卻通過所謂的兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器運(yùn)行。這意味著，一旦達(dá)到了上調(diào)節(jié)點(diǎn)，就冷卻散熱器，從而使得冷卻介質(zhì)在離開散熱器時(shí)在溫度上周期地在下調(diào)節(jié)點(diǎn)與上調(diào)節(jié)點(diǎn)之間波動。例如，由用于精密加工的加工主軸已知，這種形式的波動，即使它僅為幾開爾文或者甚至小于1K，在應(yīng)用中也已經(jīng)具有了不利的后果。
[0016]第七，在運(yùn)行中斷期間機(jī)器元件冷卻并且例如在精密加工的情況下在再次投入運(yùn)行以后需要進(jìn)行預(yù)熱狀態(tài)，以便再次建立熱恒定的運(yùn)行狀態(tài)。
[0017]與上述設(shè)計(jì)方案完全脫離地，在其它技術(shù)領(lǐng)域已知用于其熱吸收能力的所謂的相變材料(PCM)。PCM是這種材料，它們在一定的溫度時(shí)執(zhí)行相轉(zhuǎn)換，并且在該種情況下要么釋放大量的熱量要么吸收大量的熱量。在相轉(zhuǎn)換中-例如在從固態(tài)到液態(tài)進(jìn)行狀態(tài)變化時(shí)-通過輸入或排出熱量不改變溫度。在此對外產(chǎn)生影響，仿佛含有PCM的液體的比熱容量明顯高于傳統(tǒng)冷卻介質(zhì)情況下的比熱容量。對PCM進(jìn)行研究主要為了獲得對熱量更高的存儲密度，尤其用于存儲太陽能熱。此外，在所謂的潛熱存儲器中的PCM尤其用在建筑技術(shù)中，以便提高建筑物的熱慣性(Tdgheit)并且降低功率峰值。還已知借助于潛熱存儲器平整(Nive 11 ieren )周期性出現(xiàn)的溫度波動。
[0018]文獻(xiàn)EP 2 375 483 A2方面公開了使用PCM作為不基于水的冷卻介質(zhì)中的懸浮液或乳濁液(Emuls