用于借助pcm冷却机器元件的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据独立权利要求1的前序部分所述的具有集成的、内部的冷却系统的机器元件、尤其是电机主轴或机电的驱动单元，并且本发明涉及一种根据权利要求11的前序部分所述的封闭的冷却回路，其包含具有集成的、内部的冷却系统的机器元件。
【背景技术】
[0002]目前，对机床中的机器元件进行冷却具有重要的意义。现代机床具有高的精度并且尤其是在形状结构上在近年来对机床和安装在机床内的电机主轴的要求-主要是对铣头的主轴的要求有了极大的提高。工件的表面加工质量主要受到工作主轴、加工过程的振动以及受到电机主轴和机架的温度变化特性的损害。近年来，在特别是因切削加工工件而产生的振动方面已经采取了许多措施，使得目前高性能的精密主轴满足这些要求。
[0003]而在热特性方面目前通过已知的冷却可行方案达到了极限。理想化条件下的主轴在主轴内部且在所有的运行状态上显示出恒定的温度和均匀的温度分布。但是现实的情况有所不同:在运行中主轴具有导致不均匀热引入的点状热源。主轴内部的典型热源在此是轴承(摩擦)和马达(铜损耗、铁损耗、添加物损耗和谐波损耗)。这些热源非均匀地加热实际的电机主轴，由此在主轴内部产生非均匀的温度分布。在此，温度不仅在周缘方向上变化(所谓的极性的温度分布)，而且在轴向方向上变化。已知，在电机主轴中温度分布的非均匀性可以随着冷却而减小，所述冷却在不同负荷时也要保证温度恒定。但是已知的冷却系统尤其在精密主轴中不能足够小地保持温度差。已知的冷却系统的所述受限的有效功率是目前的一个大问题。
[0004]安装在机器、尤其是机床内的机器元件在一定情况下采用具有闭合冷却回路的冷却系统来进行冷却或热恒定。如已提到的那样，由于不同的原因进行冷却:
-机器元件产生余热，该余热必须强制引出，以保证部件的功能。否则，部件由于过热将会直接失灵，或者将会显著降低效率、可用的功率或使用寿命。
[0005]-但是机器元件也必须热恒定，以便正确地实现其功能例如工件加工。这尤其适用于主轴的与精度相关的部件，所述部件大多由钢制成并且因其在温度变化时的热膨胀而改变其尺寸。
[0006]因为通常只在启动状态下才必须将机床的机器元件加热到运行温度，在连续运行时主要是保持冷却功能。因此下面简化地对冷却回路进行论述，即使该冷却回路不仅用于纯粹的不可控的冷却，而且用于使得机器元件恒温(即，冷却功率适配于待引出的热量)。此夕卜，这种冷却回路也影响机器内部的温度分布，即在不同的机器元件之间(例如铣头、铣头的支座和在铣头区域内的机架)。此外，不详细地讨论但是可以简化地阐述以下内容:如果所有机器元件和所有在机床内部的子部件具有相同的(运行_)温度，则保证了最好的状态。以下将该温度称为理论温度。下面描述的解决方案可以在需要时针对其它情况根据意义地进行调整。该理论温度处于室内温度范围内，通常略高于几个开尔文(例如一般为24°C )，因此，与周围空气的对流趋于将少量的热流输到环境中去，而不是相反地让机器冷却来使得空间冷却。下面由此进行简化:理论温度位于环境温度之上，其中，在相反的情况下根据意义进行调整。
[0007]闭合的冷却回路以公知的方式包括至少一个热源、散热器和管路系统，在该管路系统中冷却介质在热源与散热器之间循环。通常该循环通过栗来迫使进行。通常将基于水的冷却剂用作适合的冷却介质，因为它具有低的粘度和高的比热容量。但是冷却介质的通流量受到热源结构(例如主轴的尺寸)的限制。因此，自一定的范围起只能通过提高冷却介质的热容量来提高散热。在此，低粘度附加地易于循环。此外，冷却介质的小的通流量和小的粘度是有利的，因为由此使得管路和栗的尺寸更小，并且在将热传递给各热源的散热器时需要更小的必要的接触表面。示范性地，在下面简化地谈论水作为冷却介质，即使根据应用并且出于某些原因其可以是其它液体。
[0008]图1示意性地示出了具有闭合冷却回路24的主轴冷却系统的工作原理。待冷却的电机主轴6 (热源)借助于冷却介质或冷却剂4 (例如水)进行冷却，所述冷却介质或冷却剂由冷却剂栗5驱动地通过冷却管路7流到内部的冷却系统8-在此是螺旋形地围绕电机主轴6的周缘布置的冷却管路-内。从一体的主轴冷却装置或内部的冷却系统8排出的且热的冷却介质4本身再通过冷却管路7流回到储存器(散热器)9内，在那里又从冷却介质4中提取热量。该热提取在散热器9的储存器内通过冷却压缩机1来实现，该冷却压缩机借助于温度控制器2进行调节，所述冷却压缩机例如将冷却介质冷却到24°C。在此，冷却压缩机1本身可以具有比24°C更低的温度。在图1所示的闭合冷却回路24中，还安装有具有警报触点(Meldekontakt) 3的流量计(Str5mungswjichter)。图2还示出了:内部冷却系统8的冷却管路实际上会怎样地布置在电机主轴中。
[0009]通常已知可以在机床中设有冷却装置。因此，例如EP1 252970A1公开了，如何在具有封闭罩的机床内在考虑到冷却回路和热对流的情况下通过空气可以使得机器的主要部件有利地接近参考温度。文献EP 376 178 A1公开了，如何设计机床中的电机主轴，所述机床具有带有气态的冷却介质的冷却系统，以实现充分冷却。该文献没有涉及在始流(Vorlauf)和回流(RUcklauf)之间的温度差的主题。EP 1 927 431 A1公开一种用于冷却主轴的散热器的有利的设计方案，采用该设计方案可以在窄的限度内调节用于主轴的冷却介质的始流温度。从该文献可看出需要高的费用，其与在传统冷却系统中的恒温有关。
[0010]在这种构造的冷却系统中，冷却介质的天然受限的热容量由于多个原因限制了冷却的热排出和其它功能:
首先，冷却介质反应“灵敏”，即，吸收的热量与介质的热容量成反比地提高介质温度。在冷却介质进入到热源内时温度被迫低于在流出时的温度。因此不能通过一个冷却回路使得多个串联的热源(参见图2)稳定到相同温度上，当然不是所述热源随时间变化。但是，主轴或机器元件通常具有多于一个的热源(例如在前轴承或后轴承上，或者在主轴中间区域内)，其中，理想地，机器元件的所有区域都应当稳定到相同的温度上。该缺陷可以通过并联连接来减小，但是这随之带来其它问题，例如控制通过冷却网的不同并联支路的流量。与冷却回路的并联或串联、现有热源的数量或所引导的冷却介质的质量流无关地:通过这些措施绝不可能使得机器元件在时间上和区域上保持等温-即部件到处都具有相同且恒定的温度。
[0011]第二，从热源到冷却介质的热流取决于温度差。如果源头的温度因产生的较高的热量(例如由于更高的马达功率)而升高，那么作为结果局部的热吸收也会提高冷却介质的温度(因此冷却介质反应灵敏)。通过该温度升高减小了热源与冷却介质之间的温度差并且由此减小了热流，因此冷却功率趋于降低，这正好是要求更高冷却功率的情况和地方。
[0012]第三，冷却功率主要取决于冷却介质的流量。如果流量增加，在给定管路横截面的情况下所需的栗压力增加。作为其结果，必须提高栗功率并且提高的栗压力也必然加热冷却介质。该余热必须从冷却介质本身排出，并且因此已经减小了在实际热源上的冷却功率。因此通过增加流量只能不成比例地提高可供使用的冷却功率。
[0013]第四，在增加流量时存在隐患，即在冷却介质中形成涡流，这还会进一步增大所需的栗压力和相关的栗功率，并且导致所述可供使用的冷却功率的减小。
[0014]第五，在实际中，管径和横截面的形状通常不能自由选择。相关的机器元件必须满足各种要求并且其设计方案是对最佳地满足这些要求的尽可能好的折衷。可供冷却回路使用的空间是有限的并且因部件的复杂度而不同，其中主要受几何形状的限制(参见图2中的冷却管路)。
[0015]第六，对冷却介质的温度的调节是关键性的困难。关于理论温度的小公差只能通过用于调节的昂贵的设备以及传感器、硬件和软件来保证。通常这些冷却通过所谓的两点调节器运行。这意味着，一旦达到了上调节点，就冷却散热器，从而使得冷却介质在离开散热器时在温度上周期地在下调节点与上调节点之间波动。例如，由用于精密加工的加工主轴已知，这种形式的波动，即使它仅为几开尔文或者甚至小于1K，在应用中也已经具有了不利的后果。
[0016]第七，在运行中断期间机器元件冷却并且例如在精密加工的情况下在再次投入运行以后需要进行预热状态，以便再次建立热恒定的运行状态。
[0017]与上述设计方案完全脱离地，在其它技术领域已知用于其热吸收能力的所谓的相变材料(PCM)。PCM是这种材料，它们在一定的温度时执行相转换，并且在该种情况下要么释放大量的热量要么吸收大量的热量。在相转换中-例如在从固态到液态进行状态变化时-通过输入或排出热量不改变温度。在此对外产生影响，仿佛含有PCM的液体的比热容量明显高于传统冷却介质情况下的比热容量。对PCM进行研究主要为了获得对热量更高的存储密度，尤其用于存储太阳能热。此外，在所谓的潜热存储器中的PCM尤其用在建筑技术中，以便提高建筑物的热惯性(Tdgheit)并且降低功率峰值。还已知借助于潜热存储器平整(Nive 11 ieren )周期性出现的温度波动。
[0018]文献EP 2 375 483 A2方面公开了使用PCM作为不基于水的冷却介质中的悬浮液或乳浊液(Emuls