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Title:
TEMPERATURE CONTROL DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/036106
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a temperature control device having a flow line (15) for supplying a consumer, which can be connected to said flow line (15), with a liquid medium at a predetermined temperature, also comprising a return line (17) which can be connected to the consumer for returning at least one part of the liquid medium from the consumer to a mixing device (41), in which in a predefinable ratio, the liquid medium of the return line (17) is mixed with a storage medium provided in a tank (25). The invention is characterized is that said mixing device comprises at least one mixing chamber (41) which is arranged, when the temperature control device is in operation, below the filling level of the tank (25) with the storage medium.

Inventors:
KRAUS ARTUR (DE)
HOF JÜRGEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2014/002397
Publication Date:
March 19, 2015
Filing Date:
September 04, 2014
Export Citation:
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Assignee:
HYDAC COOLING GMBH (DE)
International Classes:
F25B25/00
Foreign References:
EP0861747A21998-09-02
DE3714771A11988-12-01
EP0069172A11983-01-12
EP0922916A21999-06-16
Attorney, Agent or Firm:
BARTELS UND PARTNER (DE)
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e

Temperiervorrichtung, mit einem Vorlauf (15) zum Versorgen eines an den Vorlauf (1 5) anschließbaren Verbrauchers mit einem Fluidmedium mit vorgebbarer Temperatur und mit einem an den Verbraucher anschließbaren Rücklauf (17) zur Rückführung zumindest eines Teils des Fluidmediums vom Verbraucher an eine Mischeinrichtung (41 ), bei der in einem vorgebbaren Mengenverhältnis das Fluidmedium des Rücklaufs (1 7) mit einem in einem Tank (25) bevorrateten Vorratsmedium vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung mindestens eine Mischkammer (41 ) aufweist, die bei Betrieb der Temperiervorrichtung unterhalb des Füllstandsniveaus des Tanks (25) mit dem Vorratsmedium angeordnet ist.

Temperiervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung mit ihrer Mischkammer (41 ) Bestandteile einer Tauchpumpe (23) sind, die zumindest teilweise im Tank (25) angeordnet mit ihrer Ansaugseite unterhalb des Füllstandsniveaus liegt und deren Druckabgabeseite (19), die zum Vorlauf (1 5) führt, vorzugsweise oberhalb des Füllstandsniveaus im Tank (25) angeordnet ist.

Temperiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (41 ) mindestens eine Verbindungsöffnung (47) im Tauchpumpengehäuse aufweist, die in den Vorratsraum des Tanks (25) ausmündet, und dass die Mischeinrichtung als Teil des Rücklaufs (1 7) mindestens eine Verbindungsleitung (39) aufweist, die von einer Verteileinrichtung (33) in die Mischkammer (41 ) führt.

Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (33) von einer Steuereinrichtung (31 ) ansteuerbar ist, um abhängig von der Temperatur des Mediums des Vorlaufs (15) zumindest einen Teil des Fluidme- diums des Rücklaufs (1 7) an eine Kühleinrichtung (3, 5) und den anderen verbleibenden Teil an die Mischkammer (41 ) weiterzuleiten.

Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3, 5) ein Kompressor-Kühlsystem (3) aufweist und dass das derart gekühlte Fluidmedium des Rücklaufs (1 7) in den Tank (25) geführt ist.

Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressor-Kühlsystem einen eigenen Kühlkreislauf (3) mit einem Kältemittel aufweist, das einen Wärmetauscher (5) durchströmt, durch den gleichzeitig zumindest der zu kühlende Teil des Fluidmediums des Rücklaufs (1 7) hindurchgeführt ist.

Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressor-Kühlsystem mindestens einen Kondensator (9) und einen Kompressor (7) aufweist sowie eine Trocknereinrichtung (1 1 ).

Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung einen Temperaturregler (31) aufweist, der ein Motor-Regel-Ventil (33, 35) ansteuert zwecks Aufteilen des Fluidmediums in einen mittels der Kühleinrichtung (3, 5) zu kühlenden Anteil und in einen Anteil, der der Mischkammer (41 ) zugeführt ist.

Temperiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tauchpumpen (23), vorzugsweise mit unterschiedlichem Abgabe-Leistungsvermögen, derart in dem Tank (25) angeordnet sind, dass sich unterschiedliche Vorlauf- temperaturen für das Fluidmedium und/oder sich unterschiedliche Abgabemengen für das Vorlauf-Fluidmedium erreichen lassen.

Temperiervorrichtung, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vergleichmäßigte Zufuhr von in der Mischkammer (41 ) zu mischendem Fluid der Tank (25) in seinem Vorratsraum mit einer Fluid-Führung (53) versehen ist.

Temperiervorrichtung, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gleichförmige Temperierung der Steuereinrichtung (31 ), insbesondere in Form einer Leistungselektronik, diese flächig an einer Tankwand (57) des Tanks (25) anliegt, vorzugsweise zumindest teilweise in die Außenumhau- sung (55) des Tanks (25) integriert ist.

Description:
Temperiervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung, mit einem Vorlauf zum Versorgen eines an den Vorlauf anschließbaren Verbrauchers mit einem Fluidmedium mit vorgebbarer Temperatur und mit einem an den Verbraucher anschließbaren Rücklauf zur Rückführung zumindest eines Teils des Fluidmediums vom Verbraucher an eine Mischeinrichtung, bei der in einem vorgebbaren Mengenverhältnis das Fluidmedium des Rücklaufs mit einem in einem Tank bevorrateten Vorratsmedium vermischt wird.

Temperiervorrichtungen dieser Art sind Stand der Technik. Diese in

Mischerventiltechnik arbeitenden Vorrichtungen werden häufig zur Temperierung von Kühlflüssigkeiten, wie Wasser/Glykol-Mischungen, eingesetzt, beispielsweise zur Spindelkühlung bei Werkzeugmaschinen, zur Kühlung von Schaltschränken oder hydrostatischen Antrieben, für Kühl- oder Temperieraufgaben in der Druckindustrie, bei der Lasertechnik, der Medizintech- nik und dergleichen. Ein weiteres Anwendungsgebiet betrifft die Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, z.B. in Verbindung mit hydrostatischen Antrieben. Bei diesen in Mischerventiltechnik arbeitenden Systemen gelangen Teilmengen des vom Verbraucher im Rücklauf zurückfließenden Mediums über ein 3/2-Wegeventil in vom Bedarf an Kühlleistung abhängigen Men- gen zu einem mit dem Verdampfer eines Kühlaggregats im Wärmeaustausch stehenden Wärmetauscher und von diesem in den Tank. Eine Umwälzpumpe, deren Druckabgabeseite mit dem Vorlauf in Verbindung ist, saugt aus dem Tank Fluidmedium an und vermischt dieses mittels einer Mischeinrichtung mit dem übrigen, über den Rücklauf zurückfließenden Medium. Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Temperiervorrichtung der betrachteten Gattung zur Verfügung zu stellen, die sich durch ein besonders günstiges Betriebsverhalten auszeichnet. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Temperiervorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung besteht demgemäß darin, dass die Mischeinrichtung mindestens eine Mischkammer aufweist, die bei Be- trieb der Temperiervorrichtung unterhalb des Füllstandsniveaus des das Vorratsmedium enthaltenden Tanks angeordnet ist. Der Einbau einer im Tank eingetauchten Mischkammer ermöglicht eine gezielte Wärmeverteilung bei hoher Energieeffizienz. Außerdem ergibt sich ein geringerer Bedarf an äußerer Verrohrung.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen bildet die Mischeinrichtung mit ihrer Mischkammer Bestandteile einer Tauchpumpe, die zumindest teilweise im Tank angeordnet mit ihrer Ansaugseite unterhalb des Füllstandsniveaus liegt und deren Druckabgabeseite, die zum Vorlauf führt, vorzugsweise oberhalb des Füllstandsniveaus im Tank angeordnet ist. Die Ausbildung der Umwälzpumpe als im Tank angeordnete Tauchpumpe ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Betriebssicherheit. Während beim Stand der Technik als Umwälzpumpe eine trocken aufgestellte Horizontalpumpe vorgesehen ist, vermeidet die dichtungslose Tauchpumpe die Störanfälligkeit, die bei Horizontalpumpen mit Gleitringdichtungen gegeben ist, die gegen Fluidmedien anfällig sind, die beispiels- weise Ethylen oder Glykol enthalten. Durch den unmittelbaren Einbau der Mischkammer an die Tauchpumpe ergibt sich zudem ein besonders geringer Bedarf an Verrohrung. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist die Mischkammer mindestens eine Verbindungsöffnung im Tauchpumpengehäuse auf, die in den Vorratsraum des Tanks ausmündet, wobei die Mischeinrichtung als Teil des Rücklaufs mindestens eine Verbindungsleitung aufweist, die von einer Verteileinrichtung in die Mischkammer führt. Die Verteileinrichtung kann durch ein 3/2-Wegeventil gebildet sein, das den Rücklauf je nach Bedarf an Kühlleistung in einen über die Verbindungsleitung fließenden Volumenstrom und in einen Volumenstrom aufteilt, der über den Wärmetauscher des Kühlaggregats zum Vorratstank fließt. Die Verteileinrichtung kann von einer Steuereinrichtung ansteuerbar sein, die abhängig von der Temperatur des Mediums des Vorlaufs zumindest einen Teil des Fluidmediums des Rücklaufs an eine Kühleinrichtung, wie den Wärmetauscher des Kühlaggregats, und den anderen verbleibenden Teil an die Mischkammer weiterleitet.

Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung ein Kompressor-Kühlsystem auf, wobei das derart gekühlte Fluidmedium des Rücklaufs in den Tank geführt ist. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist das Kompressor- Kühlsystem einen eigenen Kühlkreislauf mit einem Kältemittel auf, das einen Wärmetauscher durchströmt, durch den gleichzeitig zumindest der zu kühlende Teil des Fluidmediums des Rücklaufs hindurchgeführt ist. In besonders vorteilhafter Weise kann hierbei der Wärmetauscher in Form eines Plattenwärmetauschers vorgesehen sein, der mit dem Verdampfer des Kompressor-Kühlsystems eine Funktionseinheit bildet. Das Kompressor-Kühlsystem kann mindestens einen Kondensator und einen Kompressor aufweisen, sowie eine Trocknereinrichtung, die im Kühlkreislauf vor dem dem Wärmetauscher zugeordneten Verdampfer angeordnet ist.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist die Steuereinrichtung einen Temperaturregler auf, der ein Motor-Regel-Ventil ansteuert, um das Fluidmedium in einen mittels der Kühleinrichtung zu kühlenden Anteil und einen Anteil aufzuteilen, der der Mischkammer zugeführt ist. Das Motor-Regel-Ventil, beispielsweise in Form eines 3/2-Wegeventils, wird dabei vom Temperaturregler in Abhängigkeit von der mittels eines Temperatursensors gemessenen Vorlauftemperatur angesteuert. Abhängig vom Signal des Temperatursensors braucht das Kompressor-Kühlsystem nur zu arbeiten, wenn im Vorratstank kaltes Fluidmedium gebraucht wird. Die benötigte

Kühlleistung ist somit an den Bedarf anpassbar, so dass eine hohe Energieeffizienz erreichbar ist. Aufgrund der anpassbaren Kühlleistung lässt sich die gewünschte Temperatur des Mediums im Vorlauf sehr genau auf gewünschte Werte mit Abweichungen, die geringer sind als +/- 0,3 K, einstellen.

Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass mehrere Tauchpumpen, vorzugsweise mit unterschiedlichem Abgabe- Leistungsvermögen, derart in dem Tank angeordnet sind, dass sich je nach in Betrieb genommenen Tauchpumpen unterschiedliche Vorlauftemperatu- ren für das Fluidmedium und/oder sich unterschiedliche Abgabemengen für das Vorlauf-Fluidmedium erreichen lassen. Dadurch ist eine besonders energiesparende, bedarfsgerechte Anpassung möglich.

Mit besonderem Vorteil kann bei Temperiervorrichtungen, insbesondere bei gemäß der Erfindung ausgebildeten Temperiervorrichtungen, für eine vergleichmäßigte Zufuhr von in der Mischkammer zu mischendem Fluid der Tank in seinem Vorratsraum mit einer Fluid-Führung versehen sein. Eine derartige Fluid-Führung kann durch im Tank angeordnete Kammerwände gebildet sein, die für den Strömungsweg im Tank eine Art Labyrinth bilden. Bei insbesondere gemäß der Erfindung ausgebildeten Temperiervorrichtungen kann die Anordnung weiterhin so getroffen sein, dass für eine gleichförmige Temperierung der Steuereinrichtung, insbesondere in Form einer Leistungselektronik, diese flächig an einer Tankwand des Tanks anliegt, vorzugsweise zumindest teilweise in die Außenumhausung des Tanks inte- griert ist. Auf einfache und vorteilhafte Weise ist daher gleichzeitig eine Temperierung/Kühlung der Steuereinrichtung gebildet.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise in Symboldarstellung gezeichnete Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung; Fig. 2 einen in natürlicher Größe einer praktischen Ausführungsform gezeichneten Längsschnitt der Mischkammer des Ausführungsbeispiels und

Fig. 3 in demgegenüber kleinerem Maßstab einen Querschnitt des

Fluid-Vorratstank des Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 , in der das Funktionsschema des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung dargestellt ist, sind ein Verbraucher- kreislauf mit 1 und ein Kühlkreislauf mit 3 bezeichnet. Die Schnittstelle zwischen den Kreisläufen 1 und 3 bildet ein Plattenwärmetauscher 5, dessen Primärseite, die dem Verbraucherkreislauf 1 zugeordnet ist, von zu kühlendem Fluidmedium des Verbraucherkreislaufs 1 durchströmbar ist, wäh- rend die Sekundärseite des Plattenwärmetauschers 5 den Verdampfer für den durch ein Kompressor-Kühlaggregat gebildeten Kühlkreislauf 3 bildet. Der Kühlkreislauf 3 weist in üblicher Weise einen elektromotorisch antreibbaren Kompressor 7 auf, dessen Saugseite mit der als Verdampfer dienenden Sekundärseite des Plattenwärmetauschers 5 verbunden ist und an dessen Druckseite sich ein Kondensator 9 anschließt. Über eine Trocknereinrichtung 1 1 gelangt das Kältemittel zu einem Expansionsventil 13 und von dort zu der den Verdampfer bildenden Sekundärseite des Plattenwärmetauschers 5. Im Verbraucherkreislauf 1 sind der zum Verbraucher (der nicht dargestellt ist) führende Vorlauf mit 15 und der vom Verbraucher rückfließende Rücklauf mit 17 bezeichnet. Für die Zufuhr des betreffenden Fluidmediums zum Verbraucher ist der Vorlauf 1 5 an die Druckabgabeseite 19 einer durch einen Elektromotor 21 betreibbaren Umwälzpumpe angeschlossen. Bei der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist die Umwälzpumpe durch eine Tauchpumpe 23 gebildet. Diese ist in einen Vorratstank 25 derart eingebaut, dass Fluid-Eintrittsöffnungen 27 der Ansaugseite der Tauchpumpe 23 unterhalb des Füllstandsniveaus des Tanks 25 liegen. Die Druckabgabeseite 19 der Tauchpumpe 23 liegt oberhalb des Füllstandsniveaus des Vor- ratstanks 25. An der Verbindungsstelle der Druckabgabeseite 19 mit dem Vorlauf 1 5 ist ein Temperatursensor 29 angeordnet, der einem Temperaturregler 31 ein die Vorlauftemperatur darstellendes Signal liefert.

Das vom Verbraucher zurückfließende Fluidmedium, wie Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser mit Zusätzen von Glykol oder Ethylen, oder Hydrau- liköl, gelangt vom Rücklauf 1 7 zu einer Verteileinrichtung, die beim vorlie- genden Beispiel durch ein 3/2 -Wegeventil 33 gebildet ist. Dieses ist als Motor-Regelventil ausgebildet, das vom Temperaturregler 31 in Abhängigkeit von der vom Sensor 29 gemessenen Vorlauftemperatur mittels eines Stellmotors 35 ansteuerbar ist. Als Verteileinrichtung teilt das Regelventil 33 das über den Rücklauf 17 fließende Fluidmedium in einen Anteil, der über die Primärseite des Plattenwärmetauschers 5 in den Vorratstank 25 fließt, siehe Strömungspfeil 37, und in einen Anteil auf, der über eine Verbindungsleitung 39 zu einer Mischkammer 41 führt. Wenn der Sensor 29 einen geringen Bedarf an Kühlleistung oder keinen Bedarf an Kühlleistung signalisiert, ist aufgrund der Einstellung des Regelventils 33 der über den Wärmetauscher 5 fließende Anteil gering oder Null, während ein entsprechend größerer Anteil über die Verbindungsleitung 39 zur Mischkammer 41 strömt.

Bei der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist die Mischkammer 41 , die in Fig. 2 gesondert dargestellt ist, durch einen Gehäusebestandteil des Pumpengehäuses der Tauchpumpe 23 gebildet. Die Mischkammer 41 befindet sich am ansaugseitigen Ende des Pumpengehäuses der Tauchpumpe 23 und befindet sich daher im Betrieb unterhalb des Füllstandsniveaus des Vorratstanks 25. Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, bildet die Mischkammer 41 einen Gehäuseabschlussdeckel 43 am ansaugseitigen Ende des Gehäuses der Tauchpumpe 23, so dass sich die Mischkammer 41 im Betrieb unterhalb des Füllstandsniveaus des Vorratstanks 25 befindet. Wie Fig. 2 zeigt, hat der Deckel 43 die Gestalt eines Kegels mit einem inneren Trichter 45, der die Wand der Mischkammer 41 bildet. An der unteren Trichteröffnung 47 ist, wie die Fig.1 zeigt, ein Anschlusskrümmer 49 angebracht, an dem die Verbindungsleitung 39 angeschlossen ist. Der die Mischkammer 41 bildende Gehäusedeckel 43 weist Schraubenlöcher 51 für Verbindungsschrauben zum Anflanschen des Deckels 43 an das Pumpengehäuse auf. Der Anteil des über den Rücklauf 1 7 rückfließenden Mediums, der keinen Kühlbedarf hat, gelangt über die Verbindungsleitung 39 unmittelbar in die Mischkammer 41 und wird mit dem übrigen Anteil, d.h. mit dem über den Wärmetauscher 5 in den Tank 25 einströmenden, gekühlten Medium innerhalb der Mischkammer 41 im Ansaugbereich der Tauchpumpe 23 vermischt. Wenn kein Bedarf an Kühlleistung vorhanden ist, strömt die gesam- te Menge des Rücklaufs 1 7 über die Verbindungsleitung 39 in die Ansaugseite der Tauchpumpe 23. Bei Bedarf an Kühlleistung strömt ein entsprechend größerer Anteil über den Plattenwärmetauscher 5 in den Tank 25, aus dem über die Eintrittsöffnungen 27 der Ansaugseite der Tauchpumpe 23 ein entsprechender Anteil angesaugt und mit dem restlichen Anteil aus der Verbindungsleitung 39 vermischt wird.

In vorteilhafter Weise arbeitet der Kompressor 7 des Kompressor- Kühlsystems nur dann, wenn im Vorratstank 25 kaltes Medium gebraucht wird. Die benötigte Kühlleistung ist somit an den Bedarf anpassbar, so dass größtmögliche Energieeffizienz erreichbar ist. Bei Anwendungsfällen, wo sich im Betrieb unterschiedliche Sollwerte der Vorlauftemperatur ergeben können und/oder unterschiedliche Abgabemengen für das Vorlauf- Fluidmedium erforderlich sein können, lassen sich mehrere Tauchpumpen 23 im Tank 25 vorsehen, die wahlweise in Betrieb setzbar sind. Mit Vorteil kann es sich dabei um Tauchpumpen 23 unterschiedlicher Abgabeleistungen handeln.

Um für einen optimalen Mischvorgang innerhalb der Mischkammer 41 die Temperaturverteilung innerhalb des im Tank 25 befindlichen Mediums zu homogenisieren, kann in besonders vorteilhafter Weise innerhalb des Vorratsraums des Tanks 25 eine Fluid-Führung vorgesehen sein, die derart ausgeführt ist, dass eine vergleichmäßigte Zufuhr des zu mischenden Mediums über die Eintrittsöffnungen 27 der Tauchpumpe 23 erfolgt. Zu diesem Zweck kann, wie in Fig. 3 dargestellt ist, durch Kammerwände 53 innerhalb des Tanks 25 eine Art Labyrinth gebildet sein, die einen gewundenen Strö- mungsverlauf für das im Plattenwärmetauscher 5 gekühlte Medium bildet, das, wie mit Pfeil 37 angedeutet ist, einströmt.

Mit besonderem Vorteil kann bei Temperiervorrichtungen, die in Mischer- ventiltechnik arbeiten und einen entsprechenden Vorratstank aufweisen, namentlich bei gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Temperiervorrichtungen, der Tank 25 gleichzeitig die Funktion der Temperierung der zugehörigen Steuereinrichtung für eine integrierte Kühlung des beispielsweise eine Leistungselektronik aufweisenden Temperaturreglers 31 übernehmen. Hierfür kann an der Außenumhausung des Tanks 25 ein Aufnahmeraum 55 gebildet sein, der an der Tankwand eine Anlagefläche 57 für eine flächige Anlage der betreffenden Leistungselektronik bildet, wobei die Anlagefläche 57 eine Wärmeaustauschfläche bildet.