EP1654466B1 - Fluidkühlvorrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Fluidkühlvorrichtung als Baueinheit gemäß der Merkmalsausgestaltung des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
• Durch die EP 0 968 371 B1 ist eine Fluidkühlvorrichtung als Baueinheit mit einem Antriebsmotor bekannt, der ein Lüfterrad sowie eine Fluidpumpe antreibt, die Fluid (Hydraulikmedium) aus einem Ölbehälter nimmt und in einen hydraulischen Arbeitskreis fördert, der das Fluid erwärmt, sowie zu einem Wärmetauscher führt, aus dem das Fluid gekühlt in den Ölbehälter zurückkehrt. Bei der bekannten Lösung ist der Ölbehälter wannenförmig ausgebildet, der mit seinen hochgezogenen Wannenrändern in der Art einer Halbschale zumindest den Motor und die Fluidpumpe teilweise umfaßt. Demgemäß ist mit der bekannten Lösung ein relativ großvolumig aufbauender Ölbehälter gegeben, der dennoch platzsparend in Kompaktbauweise Bestandteil der Fluidkühlvorrichtung ist und ausgehend von dem von den Wannenrändern freigelassenen Bauraum ist darüber hinaus zu Montage- und Wartungszwecken eine gute Zugänglichkeit der Motor- und Fluidpumpenbaueinheit gewährleistet. Neben einem kompakten Aufbau für die Fluidkühlvorrichtung wird darüber hinaus erreicht, dass die Massekomponenten der Kühlvorrichtung gleichmäßig verteilt sind, so dass im Betrieb auch bei entsprechenden Eigenbewegungen und Vibrationen ein sicherer Stand erreicht ist.
• Ein Steuersystem und ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl einer Vielzahl von Ventilatoren zur Kühlung einer Vielzahl von Strömungsmitteln in einer Arbeitsmaschine ist in der DE 100 62 534 A1 offenbart, wobei die Drehzahl von jedem Ventilator gemäß der einzelnen Wärmeableitungsanforderungen der speziellen Wärmeübertragungskerne gesteuert wird, die von diesem speziellen Ventilator versorgt werden, wobei das vorliegende Steuersystem eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die positioniert sind, um die Temperatur von jeden der Vielzahl von Strömungsmitteln abzufühlen, wobei jeder Sensor betreibbar ist, um ein Signal auszugeben, das die Temperatur dieses speziellen Strömungsmittels anzeigt, und eine elektronische Steuervorrichtung, die mit der Vielzahl von Sensoren gekoppelt ist, um Signale davon aufzunehmen, die die Temperatur von jedem der Vielzahl von Strömungsmittel aufnehmen. Basierend auf diesen Temperatursignalen kann bei der bekannten Vorrichtung das elektronische Steuermodul einen entsprechenden Temperaturfehler für jedes dieser Strömungsmittel bestimmen, und basierend auf diesen Temperaturfehlersignalen und basierend auf einer gewissen in das elektronische Steuermodul einprogrammierten Logik, gibt die Steuervorrichtung ein Signal an jeden der Vielzahl von Ventilatoren aus, um individuell ihre Drehzahl zu steuern, wobei jedes Ausgangssignal eine erwünschte Ventilatordrehzahl für diesen speziellen Ventilator anzeigt.
• Mit den vorstehend bekannten Lösungen läßt sich jedoch immer nur eine Kühlaufgabe realisieren, d.h. erwärmtes Fluid einer ersten Art, beispielsweise in Form von Hydraulikmedium, effizient abkühlen. Für andere Kühl- und Temperieraufgaben, beispielsweise ein Fluid eines zweiten hydraulischen Arbeitskreises (Getriebeöl) abzukühlen, sind die bekannten Vorrichtungen erneut vorzusehen, so dass man demzufolge für jeden hydraulischen Kreislauf und jede Kühlaufgabenstellung eine eigenständige Kühlvorrichtung benötigt mit Antriebsmotor, Pumpe und Kühler.
• Durch die US-B1-6 354 089 ist eine Fluidkühlvorrichtung bekannt, bestehend aus mehreren Einzelkomponenten, die voneinander räumlich separiert an einer Arbeitsmaschine angeordnet sind, mit einem Antriebsmotor, der ein Lüfterrad sowie eine Fluidpumpe antreibt, die eine erste Art an Fluid in einen Fluid-Arbeitskreis fördert sowie zu einem Wärmetauscher führt, aus dem das Fluid temperiert in den Fluid-Arbeitskreis zurückkehrt, wobei mittels einer zweiten Fluidpumpe eine zweite Art an Fluid aus einem Vorratstank entnehmbar und in einen zweiten Fluid-Arbeitskreis förderbar ist, von dem über den ersten und den zweiten Wärmetauscher führend die zweite Art an Fluid in den Vorratstank zurückkehrt, wobei der erste Wärmetauscher einen Austausch von Wärme zwischen den beiden Arten an Fluid ermöglicht, wobei der zweite Wärmetauscher ein Lamellenkühler ist, der Kühlluft von dem antreibbaren Lüfterrad erhält zur Kühlung der zweiten Art an Fluid, und wobei die Arten an Fluid aus einem Hydraulikmedium bestehen und die erste Art an Fluid ein Hydrauliköl ist.
• Demgemäß läßt sich in Fortbildung der eingangs erwähnten bekannten Lösungen die Fluidkühlvorrichtung nach dem US-Dokument dahingehend weiter verbessern, dass mit nur einer Fluidkühlvorrichtung verschiedene Temperieraufgaben für getrennte Fluid-Arbeitskreisläufe gelöst werden können. So ist es bei der bekannten Lösung über den ersten Wärmetauscher möglich, einen Wärmeaustausch zwischen den beiden Arten an Fluid vorzunehmen, was zum einen zu einem homogeneren Wärmezustand für die beiden Fluidmedien führt und zum anderen auch den Vorteil bieten kann, beim Anfahren der Arbeitsmaschine relativ kaltes Betriebsfluid des einen Kreises über das dann gegebenenfalls wärmere Fluidmedium des anderen Kreises zu erwärmen, um so Leistungsverlusten vorzubeugen. Jedoch benötigt die bekannte Lösung eine Vielzahl von einander beabstandeten Einzelkomponenten, was die Funktionssicherheit und die Betriebsgenauigkeit beeinträchtigt. Insoweit läßt die bekannte Lösung, was eine Homogenisierung des Temperaturverhaltens in den beiden Fluidkreisen anbelangt, noch Wünsche offen. Auch ist die bekannte technische Lösung auf die Anwendung bei Arbeitsmaschinen eingeschränkt.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die bekannten Lösungen unter Beibehalten ihrer Vorteile dahingehend weiter zu verbessern, dass die Funktionssicherheit und die Betriebsgenauigkeit bei der Lösung von mehreren Temperieraufgaben verbessert ist und dass weitere Einsatzmöglichkeiten für dahingehende Fluidkühlvorrichtungen eröffnet sind. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Fluidkühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
• Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil der erste Wärmetauscher ein Plattenwärmetauscher ist, dass die zweite Art an Fluid eine Wasser-Glycol-Mischung ist, dass der Vorratstank insoweit integraler Bestandteil der Vorrichtung ist, als ein Lüfterradgehäuse des Lamellenkühlers senkrecht auf dem Vorratstank steht, dass die zweite Fluidpumpe in der Art einer Tauchpumpe ausgebildet ist, die mit ihrem elektrischen Antriebsmotor auf dem Vorratstank aufgesetzt ist, und dass die Antriebsachsen der beiden Fluidpumpen innerhalb der Vorrichtung senkrecht zueinander verlaufen, eignet sich die erfindungsgemäße Fluidkühlvorrichtung besonders für das Abkühlen von elektrischen Antrieben, wie Linearmotoren, wie sie beispielhaft bei Bearbeitungszentren und Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, wo mittels der Wasser-Glycol-Mischung die Kühlung der elektrischen Komponenten erfolgt. Ferner läßt sie sich für sonstige Linearmotoren, Motorspindeln, Servomotoren und vergleichbare elektrische Einrichtungen einsetzen.
• Das Kühlmedium in Form der Wasser-Glycol-Mischung als zweiter Art an Fluid wird an den Plattenwärmetauscher der Fluidkühlvorrichtung weitergegeben und kühlt dort im Gegenstrom Hydraulikmedium des hydraulischen Fluid-Arbeitskreises ab, an den gleichfalls das Bearbeitungszentrum bzw. die Werkzeugmaschine mit ihren antreibbaren Komponenten angeschlossen ist. Durch die dadurch bedingte Erwärmung wird die Wasser-Glycol-Mischung, bevor sie in den Vorratstank der Fluidkühlvorrichtung zurückgelangt, über einen zweiten Wärmetauscher in Form eines Lamellenkühlers abgekühlt. Beim Anfahren, also bei der Inbetriebnahme des hydraulischen Arbeitskreises mit angeschlossenem Bearbeitungszentrum oder Werkzeugmaschine ist das hydraulische Arbeitsmedium in der Regel kalt und kann dann über das höher erwärmte Wasser-Glycol-Medium aufgewärmt werden. Dergestalt ist mit der erfindungsgemäßen Fluidkühlvorrichtung ein funktionssicherer und genauer Betriebsstart erreicht. Weiterhin läßt sich dergestalt das Verhältnis der Temperaturen zwischen elektrischen Komponenten und dem Hydrauliköl des Hydraulikkreises optimieren, was gleichfalls deutlich zur Verbesserung der Maschinengenauigkeit mit beiträgt.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
• Im folgenden wird die erfindungsgemäße Fluidkühlvorrichtung in prinzipeller und nicht maßstäblicher Darstellung eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert.
• Dabei zeigt die einzige Figur in rückwärtiger Ansicht die Fluidkühlvorrichtung als Baueinheit in ihrer Einbaulage.
• Die in der Figur als Ganzes gezeigte Fluidkühlvorrichtung weist einen elektrischen Antriebsmotor 10 auf, der ein Lüfterrad 12 mit einzelnen Lüfterflügeln antreibt. Ferner treibt der Antriebsmotor 10 eine Fluidpumpe 14 an. Das Lüfterrad 12 ist in einem Lüfterradgehäuse 16 aufgenommen, das vorzugsweise aus Blechteilen aufgebaut ist. Zur Sicherheit ist im rückwärtigen Bereich das Lüfterrad 12 mit einem Schutzgitter 18 abgedeckt. Über die Öffnung des Lüfterradgehäuses 16 erstreckt sich im hinteren Bereich ein mit Durchbrechungen versehenes Flanschteil 20, an dem die Einheit von Antriebsmotor 10, Lüfterrad 12 und Fluidpumpe 14 gelagert ist. Oberhalb des Lüfterradgehäuses 16 ist ein Wärmetauscher 22 angeordnet in Form eines Plattenwärmetauschers. Des weiteren ist nach vorne hin das Lüfterradgehäuse 16 von einem zweiten Wärmetauscher 24 in der Art eines Lamellenkühlers abgedeckt, der sich über den gesamten freien Öffnungsquerschnitt der Lüfterradöffnung 26 erstreckt. Das Lüfterrad 12 ist in der Art eines axialen Sauglüfters konzipiert, das in Blickrichtung auf die Figur gesehen von rechts nach links Luft durch die Lamellen des zweiten Wärmetauschers 24 zieht und nach hinten in den rückwärtigen Bereich in Richtung des Antriebsmotors 10 bringt.
• Bei geeigneter Anpassung ist es aber auch möglich, die dahingehende Luftströmung umzukehren und die Fluidkühlvorrichtung als axialen Drucklüfter zu konzipieren. Um die Lamellen des Lamellenkühlers (zweiter Wärmetauscher) 24 von Verschmutzungen freizuhalten, ist dieser an seiner freien Stirnseite von einem plattenförmigen Luftfilter 28 überdeckt. Das Lüfterradgehäuse 16 ist in der Art eines Hohlkastens konzipiert und steht in senkrechter Anordnung auf einem Vorratstank 30, der zur Vergrößerung seines Fluidvolumens im rückwärtigen Bereich in vertikaler Richtung ein vergrößertes Tankkammervolumen ausbildet. Benachbart zu dem ersten Antriebsmotor 10 ist im hinteren Bereich des Vorratstanks 30 auf diesem eine Tauchpumpe 32 aufgesetzt, wobei Pumpenteile für eine Fluidentnahme aus dem Vorratstank 30 in diesen hineinragen (nicht dargestellt). Demgemäß ist in der Figur sichtbar der Antriebsmotor 34 der Tauchpumpe 32 dargestellt. Die dahingehende Tauchpumpe 32 weist eine Pumpöffnung 36 für die Entnahme von Fluid aus dem Vorratstank 30 auf.
• Die dahingehende Pumpöffnung 36 versorgt einen nicht näher dargestellten Fluid-Arbeitskreis, der vorzugsweise zur Kühlung eines elektrischen Linearantriebes eines Bearbeitungszentrums oder einer Werkzeugmaschine dient. Als Fluid kommt dabei insbesondere eine Wasser-Glycol-Mischung (zweite Art an Fluid) zum Einsatz und nach Durchlaufen des elektrischen Verbrauchers zu seiner Kühlung wird über die Tauchpumpe 32 die Wasser-Glycol-Mischung in den Plattenwärmetauscher 22 eingebracht, und zwar über eine entsprechende, nicht näher dargestellte Verrohrung, die in die untere Anschlußstelle 38 des Plattenwärmetauschers 22 mündet. Von dort aus durchströmt die zweite Art an Fluid (Wasser-Glycol-Mischung) den Plattenwärmetauscher 22 und verläßt diesen über den unteren Abgabeanschluß 40.
• Der dahingehende Abgabeanschluß 40 ist wiederum mittels eines Querrohres 42 fluidführend mit dem zweiten Wärmetauscher 24 verbunden und die im Plattenwärmetauscher 22 erwärmte Wasser-Glycol-Mischung wird bei Betrieb des Lüfterrades 12 mittels Kühlluft im zweiten Wärmetauscher 24 in Form des Lamellenkühlers gekühlt, indem die Wasser-Glycol-Mischung dahingehend den zweiten Wärmetauscher 24 durchläuft. Nach Durchlaufen dieses Kühlschrittes gelangt die Wasser-Glycol-Mischung über das Anschlußrohr 44 zurück in den Vorratstank 30, das insoweit die Verbindung zwischen Oberseite des Vorratstanks 30 und Oberseite des zweiten Wärmetauschers 24 fluidführend herstellt. Nach Rückgabe in den Vorratstank 30 steht die dahingehende Wasser-Glycol-Mischung gekühlt für einen neuen Umlaufvorgang mittels der Tauchpumpe 32 zur Verfügung.
• Die bereits erwähnte Fluidpumpe 14 dient der Förderung einer ersten Art an Fluid in Form eines hydraulischen Mediums, wie Hydrauliköl. Mit dem dahingehenden Hydrauliköl lassen sich hydraulische Aggregate eines Bearbeitungszentrums oder einer Werkzeugmaschine sinnfällig ansteuern und betreiben. Der Vorratstank befindet sich für das Hydrauliköl dabei außerhalb der in der Figur gezeigten Fluidkühlvorrichtung, so dass von dort aus die Fluidpumpe 14 über ihre Ansaugöffnung 46 das Hydrauliköl ansaugt und an ihre Pumpleitung 48 weitergibt. Die dahingehend fluidführende Pumpleitung 48 ist wiederum oberhalb des Abgabeanschlusses 40 über eine Eingangsöffnung 50 an den Plattenwärmetauscher 22 angeschlossen. Über die dahingehende Eingangsöffnung 50 gelangt das Hydrauliköl in den Plattenwärmetauscher 22 und durchströmt diesen im Gegenstrom zu der Wasser-Glycol-Mischung von links nach rechts kommend. Anschließend gelangt das derart gekühlte oder temperierte Hydrauliköl über den Auslaß 52, der oberhalb der unteren Anschlußstelle 38 angeordnet ist, zurück in den nicht näher dargestellten hydraulischen Arbeitskreis, an den das hydraulische Aggregat sowie der Hydrauliktank der Gesamtanlage angeschlossen sind.
• Mit der erfindungsgemäßen Fluidkühlvorrichtung ist es also möglich, erwärmtes Hydrauliköl einer Anlage über den Plattenwärmetauscher 22 zu kühlen, wobei die dahingehende Kühlung oder Temperierung im Gegenstrom über die Wasser-Glycol-Mischung erfolgt, die im Vorratstank 30 bevorratet von der Tauchpumpe 32 für einen Umlauf gefördert wird. Die im Plattenwärmetauscher 22 erwärmte Wasser-Glycol-Mischung wird dann über den Lamellenkühler 24 im weiteren Umlauf gekühlt. Ist das Hydrauliköl zum Beginn des Betriebes der hydraulischen Anlage kalt, besteht dergestalt die Möglichkeit, das kalte Hydrauliköl über die gegebenenfalls wärmere Wasser-Glycol-Mischung anzuwärmen und dergestalt den Betriebsbeginn zu erleichtern. Des weiteren kommt es im Hinblick auf die Schnittstelle in Form des ersten Wärmetauschers 22 zu einer Homogenisierung des Temperaturverhaltens in den beiden Kreisen, was sich wiederum auf die Bearbeitungsgenauigkeit für die gesamte Anlage auswirkt.
• Die gezeigte Fluidkühlvorrichtung kann auch für andere Anwendungen vorgesehen sein, bei denen Temperieraufgaben für verschiedene Fluidkreise anfallen. Ferner besteht die Möglichkeit, in den Vorratstank 30 separierbareTankkammern ein- oder anzubringen, so dass eine Fluidbevorratung weiterer Fluidmedien über den Vorratstank der Fluidkühlvorrichtung als Baueinheit erfolgen kann. Auch besteht die Möglichkeit, neben der gezeigten Fluidpumpe 14 und der Tauchpumpe 32 weitere Pumpen anzubringen nebst weiteren Wärmetauschern 22,24 (nicht dargestellt), um dergestalt mehr als zwei Fluidmedien temperaturmäßig anzusteuern.

Claims (3)

1. Fluidkühlvorrichtung als Baueinheit mit einem Antriebsmotor (10), der ein Lüfterrad (12) sowie eine Fluidpumpe (14) antreibt, die eine erste Art an Fluid in einen Fluid-Arbeitskreis fördert sowie zu einem Wärmetauscher (22) führt, aus dem das Fluid temperiert in den Fluid-Arbeitskreis zurückkehrt, wobei mittels einer zweiten Fluidpumpe (32) eine zweite Art an Fluid aus einem Vorratstank (30) entnehmbar und in einen zweiten Fluid-Arbeitskreis förderbar ist, von dem über den ersten (22) und einen zweiten Wärmetauscher (24) führend die zweite Art an Fluid in den Vorratstank (30) zurückkehrt, wobei der erste Wärmetauscher (22) einen Austausch von Wärme zwischen den beiden Arten an Fluid ermöglicht, wobei der zweite Wärmetauscher (24) ein Lamellenkühler ist, der Kühlluft von dem antreibbaren Lüfterrad (12) erhält zur Kühlung der zweiten Art an Fluid, und wobei die Arten an Fluid aus einem Hydraulikmedium bestehen und die erste Art an Fluid ein Hydrauliköl ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (22) ein Plattenwärmetauscher ist, dass die zweite Art an Fluid eine Wasser-Glycol-Mischung ist, dass der Vorratstank (30) insoweit integraler Bestandteil der Vorrichtung ist, als ein Lüfterradgehäuse (16) des Lamellenkühlers senkrecht auf dem Vorratstank (30) steht, dass die zweite Fluidpumpe (32) in der Art einer Tauchpumpe ausgebildet ist, die mit ihrem elektrischen Antriebsmotor (34) auf dem Vorratstank (30) aufgesetzt ist, und dass die Antriebsachsen der beiden Fluidpumpen (14,32) innerhalb der Vorrichtung senkrecht zueinander verlaufen.
2. Fluidkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem ersten Vorratstank (30) für die Wasser-Glycol-Mischung ein zweiter Vorratstank vorhanden ist zur Bevorratung von Hydrauliköl.
3. Vorrichtung mit einer Fluidkühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der anschließbare erste Fluid-Arbeitskreis ein Hydraulikaggregat und der anschließbare zweite Fluid-Arbeitskreis mindestens einen elektrischen Antrieb, wie einen Linearmotor od. dgl., aufweist.

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