(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却剤分散系を再生する再生装置を発展させて、エネルギー効率が向上された相転移材料の凍結を可能にすること。【解決手段】機械要素のための再冷却器としての、相転移分散系のための再生装置は、機械要素の熱を吸収する冷却剤としての分散系であって、分散系は、相転移材料を含む分散相と分散媒体とを含有し、分散相は、機械要素から熱を吸収することにより少なくとも部分的に液状となる、分散系と、絞りを有する、分散系を再分散する再分散ユニットと、再冷却ユニットであって、機械要素の熱を吸収した後の液状の分散系が、分散相を凍結するために事前に再生式に冷却され、過冷却の温度点で再冷却段階を可能にするように構成された、再冷却ユニットと、冷却システムの温度および通流速度を制御する制御ユニットであって、エネルギを節約して運転するための多様な断熱複合体を有する、制御ユニットと、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相転移材料を含む冷却剤分散系を再生する再生装置（１）であって、
絞りを有する、前記冷却剤分散系を再分散する再分散ユニット（３０）と、
前記冷却分散系に蓄えられた熱を放出することにより、前記相転移材料の凍結を可能にする再冷却ユニット（４０）と、
を備える、再生装置（１）において、
前記再冷却ユニット（４０）は、放出された熱が少なくとも部分的に回収されて、これにより前記冷却剤分散系が流入温度へと加熱されるように、構成されている
ことを特徴とする、相転移材料を含む冷却剤分散系を再生する再生装置（１）。
【請求項２】
前記再冷却ユニット（４０）は、顕熱が放出されて、これにより前記冷却剤分散系が冷却され、潜熱が放出されて、これにより前記相転移材料の凍結が可能となるように、構成されていることを特徴とする、請求項１記載の再生装置。
【請求項３】
前記再冷却ユニット（４０）は、第１の熱交換器（４１）を有し、該第１の熱交換器（４１）は、顕熱および／または潜熱の少なくとも一部を放出可能であることを特徴とする、請求項１または２記載の再生装置。
【請求項４】
前記第１の熱交換器（４１）は、向流で運転され、顕熱および／または潜熱の少なくとも一部が、回収されて、前記流入温度へと前記冷却剤分散系を加熱するために使用されることを特徴とする、請求項３記載の再生装置。
【請求項５】
前記再冷却ユニット（４０）は、第２の熱交換器（４２）を有し、該第２の熱交換器（４２）は、冷熱システム（４３）に接続されており、これにより前記冷却剤分散系の潜熱の少なくとも一部の放出により前記相転移材料の凍結が可能になることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項６】
前記流入温度は、前記相転移材料の相転移温度範囲内にあり、前記相転移温度範囲の間に前記相転移材料が固体の状態から液体の状態へ、好適には前記相転移温度範囲における下限範囲内で変化することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項７】
第３の熱交換器（６１）が使用され、これにより前記冷却剤分散系が前記再分散ユニット（３０）に流入する前に、前記冷却剤分散系の温度が第２の目標温度へと制御されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項８】
前記第３の熱交換器（６１）は、前記冷熱システム（４３）に接続されており、これにより該冷熱システムからの熱の一部が回収されて使用されることを特徴とする、請求項７記載の再生装置。
【請求項９】
前記第２の目標温度は、前記相転移温度範囲の上限範囲に、好適には２５℃〜２６℃の範囲にある、請求項７または８記載の再生装置。
【請求項１０】
前記第３の熱交換器（６１）は、前記再分散ユニット（３０）の上流側に配置されており、前記第１の熱交換器（４１）および前記第２の熱交換器（４２）は、前記再分散ユニット（３０）の下流側に配置されていることを特徴とする、請求項７から９までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項１１】
前記第３の熱交換器（６１）と前記再分散ユニット（３０）との間に攪拌ユニット（２０）が配置されていることを特徴とする、請求項７から１０までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項１２】
前記再生装置は、制御ユニットを有し、該制御ユニットは、少なくとも１つの温度モニタと少なくとも１つの流量モニタとを有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項１３】
モデル予測制御が用いられていることを特徴とする、請求項１２記載の再生装置。
【請求項１４】
前記流入温度は、冷却需要に依存して制御され、機械要素における吸熱が最適な動作点のできるだけ近くで行われることを特徴とする、請求項１３記載の再生装置。
【請求項１５】
融解された前記相転移材料の割合が制御され、利用可能な潜熱容量が、前記機械要素における有効冷却需要に相応することを特徴とする、請求項１３記載の再生装置。
【請求項１６】
前記絞り（３１）は、ディスク状の絞りボディ（３３）と、少なくとも１つの絞り開口（３２）、好適には複数の絞り開口とを有することを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項１７】
前記絞り開口（３２）は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲の直径を有することを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項１８】
複数の前記絞り開口（３２）は、相互に均一に分配されて前記絞りボディ（３３）に貫通して配置されていることを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか１項記載の再生装置。
【請求項１９】
再分散ユニットが、絞り（３１）を備えることを特徴とする、相転移材料を含む冷却剤分散系を再分散する再分散ユニット（３０）。
【請求項２０】
前記絞り（３１）は、ディスク状の絞りボディ（３３）と、少なくとも１つの絞り開口（３２）、好適には複数の絞り開口とを有することを特徴とする、請求項１９記載の再分散ユニット。
【請求項２１】
相転移材料を含む冷却剤分散系と請求項１から１８までのいずれか１項記載の再生装置とを備える、機械要素（２）を冷却する冷却システム（３）。
【請求項２２】
請求項２１記載の冷却システム（３）を備える、少なくとも１つの機械要素（２）、特にモータスピンドルまたは電気機械式の駆動ユニットから成る工作機械。
【請求項２３】
相転移材料を含む冷却剤分散系を再生する方法であって、
絞り（３１）を有する再分散ユニット（３０）により分散系を再分散する、ステップと、
再冷却ユニット（４０）によって、前記冷却剤分散系に蓄えられた熱を放出することにより前記相転移材料の凍結を可能にするステップであって、その際、前記再冷却ユニットは、放出された熱が少なくとも部分的に回収され、これにより前記冷却剤分散系が流入温度へと加熱されるように構成されている、ステップと、
を有する、相転移材料を含む冷却剤分散系を再生する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却剤分散系を再生する再生装置および方法に関する。本発明は、特に相転移材料を含む冷却剤分散系を再分散する再分散ユニットに関する。さらに本発明は、機械要素を冷却する冷却システムに関する。
【０００２】
従来技術
工作機械は、とりわけ機関駆動装置によって、機械要素、特に駆動ユニットの温度の上昇を引き起こす多量の熱を生成する。急激に上昇する温度は、工作機械の性能と加工精度とを低下させるのみならず、機械要素や駆動ユニットを損傷させてしまうおそれすらある。したがって、機械要素を冷却する冷却システムが使用される。水、空気および油は、広く普及した冷却媒体である。
【０００３】
ＤＥ  ９５  ２５  ６６１には、自動車の冷却剤回路に配置するための潜熱蓄熱装置が記載されている。この潜熱蓄熱装置では、冷却剤は、燃焼機関が温かく蓄熱媒体が冷たい場合に蓄熱媒体に熱を放出し、燃焼機関が冷たく蓄熱媒体が温かい場合に蓄熱媒体から熱を吸収する。潜熱蓄熱要素が使用されている。
【０００４】
西独国特許出願公開第３０４２５２８号明細書（DE 3042 528）には、ステータとロータと冷却装置とを備える電気機械が記載されている。ステータは、閉じた中空室を有し、中空室には蓄熱媒体が充填されており、蓄熱媒体は、機械の動作温度範囲にある温度に達すると、熱エネルギを吸収することにより固体の状態から液体の状態へと転移する。
【０００５】
相転移材料は、相転移時の高い吸熱能力について知られており、効率的な冷却のためにますます多くの場合に使用される。相転移材料は、特定の温度で相転移を行い、その際に多くの熱量を解放するまたは吸収する物質である。相転移の最中では、たとえば固体から液体への状態変化時、温度は、熱の流入または流出によりほとんど変化しない。比較的多量の熱をほぼ一定の温度で吸収することができる。これは、所望の動作温度で相転移を有する蓄熱材料が選択されることによって実現される。
【０００６】
欧州特許出願公開第２９４９４２２号明細書（EP 2949422）には、一体に内蔵された冷却システムを有する機械要素、たとえばモータスピンドルまたは電気機械駆動ユニットが記載されている。冷却剤は、少なくとも１つの相転移材料を含む分散系である。冷却剤としての分散系の使用には、持続的な再分散が必要である。欧州特許出願公開第２９４９４２２号明細書には、ロータ・ステータを用いた、駆動機械を有する動的な再分散ユニットが記載されている。冷却回路のポンプは、構造的に、ポンプが冷却剤懸濁液の非連続相の分散を引き起こすように設計されている。ポンプは、ステータリングを有するステータ、およびステータ内で回転する、ロータリングを有するロータとして構成されている。しかし、動的な再分散ユニットは、モータが必要となるという欠点を有する。
【０００７】
さらに、相転移材料を含む分散系は、融解温度が凝固温度よりも高い性質を有する。その作用は、過冷却として知られている。過冷却は、原則として不都合である。したがって、可能な限り小さな過冷却が所望されている。過冷却の場合、熱を放出する装置、つまり再冷却ユニットにおいて、相転移を介して吸収される熱だけでなく、付加的に過冷却温度までの融解点未満の顕熱も放出しなければならない。この温度ストロークは、熱を吸収するために提供されるが、これは等温冷却の元来の目的に反する。この顕熱の放出は、場合により再び供給する必要すらあり、したがって方法全体がエネルギ的に非効率である。
【０００８】
発明の開示
したがって本発明の課題は、冷却剤分散系を再生する再生装置を発展させて、エネルギ効率が向上された相転移材料の凍結を可能にすることである。
【０００９】
さらに本発明の課題は、簡単な構成を有する、相転移材料を含む冷却剤分散系を再分散する再分散ユニットを提供することである。
【００１０】
本発明の課題は、機械要素を一定の温度に冷却することが可能である、機械要素を冷却する冷却システムを提案することである。
【００１１】
本発明の課題は、機械要素の冷却需要に依存して、相転移材料の融解時に潜熱が最大限に利用されるように入力温度が選択されるようにすることである。このことは、機械要素における冷却媒体の流入温度と流出温度の差を可能な限り小さく保持するという課題設定と同義である。
【００１２】
冷却媒体は、総じて吸熱時にはできるだけ潜熱範囲内でのみ移動するべきである。したがって、冷却されるべき装置に流入するときの冷却媒体の温度も融解点の温度よりも少しだけ下回らなければならず、したがって同義には、温度は、再冷却ユニットから流出するときにこの温度に相応しなければならず、ひいてはこの温度は、過冷却温度より大きく上回らなければならず、したがって本発明の課題は、再冷却ユニットに、融解温度よりも低い温度で、ちょうど過冷却温度で潜熱を放出し、続いて効率的に、融解温度よりわずかに下回る温度へと再び温度を上昇させることである。
【００１３】
これらの課題および別の課題は、請求項１および請求項２３の特徴により解決される。
【００１４】
本発明は、相転移材料を含む冷却剤分散系を再生する再生装置と、冷却剤分散系を再分散する再分散ユニットと、再冷却ユニットとを含む。冷却剤分散系は、相転移材料を含む。再分散ユニットは、適切な絞りを有する。再冷却ユニットは、冷却剤分散系に蓄えられた熱を放出することにより、相転移材料の凍結を可能にし、放出された熱が少なくとも部分的に回収されて、これにより冷却剤分散系が融解温度よりわずかに下回る流入温度へと加熱されるように構成されている。
【００１５】
分散系は、液状の分散媒体と、固体または液体であってよい分散相とから成る。固体の分散相を有する分散系は、懸濁液と称され、液状の分散相を有する分散系は、乳濁液と称される。本発明においては、冷却剤としての分散系は、固体および液体の形の相転移材料を含んでよい。たとえば水と、機械要素の動作温度の範囲で相転移を行う適当な相転移材料とから成る分散系の使用により、この動作温度で、冷却剤の高い熱容量が得られる。これにより機械要素の余熱は、相転移材料を含む分散系により、冷却剤温度をわずかに上昇させて吸収することが可能である。したがって、機械要素は、最適に、つまり冷却されるべき機械要素内でわずかな流量およびわずかな温度差で冷却することが可能である。通常、顕熱から潜熱への吸熱もしくは放熱、または潜熱から顕熱への吸熱もしくは放熱の移行は、段階的ではなく、連続的に行われる。これは、たとえば分散系の加温時、顕熱の領域において比熱容量は一定の値を有し、その値は、相転移材料の融解温度に達し、潜熱吸収が起こる場合には見かけ上上昇し、完全な融解の後で再び低下して、より低い一定の値をとることを意味する。正規分布に似た特性曲線のこの経過から、潜熱吸収の効果が最大である動作点が生じる。これは、最適な動作点として以下に記載される。この場合、動作点は、厳密にいえば極めて狭い温度範囲であり、その際、狭いとは、数ケルビン、たとえば２〜３ケルビンで定義される。
【００１６】
冷却剤として分散系が使用されると、分散系は、分散相が固体の状態（凍結されている）にある（そこではほぼすべての相転移材料粒子が凍結されている）ように流入し、液体の状態（その際ほぼすべての相転移粒子が融解されている）で装置から流出する。再生装置は、冷却剤分散系に蓄えられた熱の放出により、融解された相転移材料の凍結を可能にする。
【００１７】
本発明において、相転移材料の凍結は、好適には、多段式の熱の放出により得られる。再冷却ユニットは、顕熱が放出されて、これにより冷却剤分散系が冷却され、潜熱が放出されて、これにより相転移材料の凍結が可能となるように、構成されている。顕熱の放出の間、冷却剤分散系の温度は、特定の温度にまで低下する。この段階では、相転移材料は、液体の状態のままである。相転移材料の凍結は、まずは潜熱の放出により行われる。
【００１８】
相転移材料（ＰＣＭ）の過冷却に基づいて、その温度は、まずは融点未満に至る。
【００１９】
例示的な一形態では、再冷却ユニットは、第１の熱交換器を有し、第１の熱交換器は、顕熱および／または潜熱の少なくとも一部を放出することが可能である。エネルギ効率を高めるために、第１の熱交換器は、向流で運転され、これにより顕熱および／または潜熱の少なくとも一部が、回収式に、流入温度へと冷却剤分散系を加熱するために使用される。流入温度は、冷却剤分散系が冷却されるべき要素に流入するとき、冷却剤分散系の温度と定義される。最適な冷却を保証するために、流入温度は、相転移材料の相転移温度範囲内にあるべきであり、相転移温度範囲内で、相転移材料は、好適には、相転移温度範囲の下限範囲において固体から液体へと転移する。これにより、一方では相転移範囲内の熱容量が極めて高く、他方では熱の吸収による冷却剤分散系の温度変動が最小限に抑えられているので、機械要素の最適な冷却が達成される。
【００２０】
別の例示的な一形態では、再冷却ユニットは、第２の熱交換器を有し、第２の熱交換器は、冷熱システムに接続されており、これにより冷却剤分散系の潜熱の少なくとも一部の放出により相転移材料の凍結が可能になる。
【００２１】
好適な一形態では、第３の熱交換器が使用され、これにより冷却剤分散系が再分散ユニットに流入する前に、冷却剤分散系の温度が第２の目標温度へと制御される。特に、第２の目標温度は、相転移温度範囲の上限範囲にあり、好適には２５℃〜２６℃の範囲にある。さらに、第３の熱交換器は、好適には、しかし必ずしも必要ではないが、冷熱システムに接続されており、これにより冷熱システムからの熱の一部が回収式に使用される。これにより、再生装置は、部分的に融解された冷却材分散系をさらに加温するために、ひいては再分散ユニットと第１の熱交換器と第２の熱交換器とをより良好に動作可能にするために、付加的な熱源を必要としない。一方では、分散系が、第３の熱交換器を通流し、他方では、冷熱剤が、冷却材分散系の温度よりも高い温度で流れる。冷却剤分散系は、剤の熱を吸収し、これにより場合によりまだ融解されていないＰＣＭ粒子をさらに融解し、ひいては後続の再分散ユニットにおいて簡単な再分散が可能である。というのも乳濁液としての再分散は、懸濁液における再分散よりも極めて簡単であるからである。
【００２２】
これにより、さらに第３の熱交換器の温度レベルが上昇させられる。これにより、より高い温度レベルＴＣ０２を有する分散系が、第１の熱交換器に流入する。これにより第１の熱交換器でより高い駆動温度勾配が提供され、ひいては第１の熱交換器で、場合により生じる熱損失の補償が可能であり、流入温度ＴＩ０４は、つねに満足できる程度に、可能な限り融解点付近に位置するように十分に高くてよい。
【００２３】
例示的な一形態では、第３の熱交換器は、再分散ユニットの上流側に配置されており、第１の熱交換器および第２の熱交換器は、再分散ユニットの下流側に配置されている。第３の熱交換器と再分散ユニットとの間に攪拌ユニットが配置されている。
【００２４】
例示的な一形態では、再生装置は、制御ユニットを有し、制御ユニットは、少なくとも１つの温度モニタと少なくとも１つの流量モニタとを有する。この制御ユニットは、流入温度を一定に保持するという目標を実行することが可能である。
【００２５】
例示的な一形態では、放出されるべき熱に依存して機械要素における流入温度を決定する、モデル予測制御（ＭＰＣ）が用いられる。この場合、流入温度は、冷却剤分散系の最適な動作点の範囲で吸熱が行われるように選択され、これにより最大の見かけ上の熱容量が使用される。
【００２６】
別の例示的な一形態では、モデル予測制御（ＭＰＣ）が用いられ、モデル予測制御は、流入温度を一定に保持するが、利用可能な潜熱容量が、相転移材料の部分的な融解により変化させられ、この潜熱容量が機械要素における放出されるべき熱に相応するようにする。これは、理想的には、冷却されるべき機械要素からの流量、流入温度および流出温度が一定であるという利点を有する。
【００２７】
一形態では、第１の熱交換器と第２の熱交換器（図５のＴＩ０３）との間の位置での温度の制御は、冷熱機械における蒸発圧力の変調によって、たとえばバイパス制御によって行われる。これにより、一方では、冷熱剤の十分に低い温度（図５のＴＩ０５）が確保されるが、他方では、第２の熱交換器に、正確に適合された放熱が存在することを保証することができる。したがって、潜熱量が過冷却のレベルで正確に放出されるが、不必要に温度が下がるわけではない。温度の強すぎる低下により、第１の熱交換器に十分に再加温することができない、つまり流入温度（図５のＴ０４）が低すぎるままであることになるであろう。
【００２８】
場合により生じる不確実性および変動は、本発明によれば、第３の熱交換器を有する形態により解消される。
【００２９】
制御のために、好適な形で連結された少なくとも２つの制御回路が必要である。第１の制御回路は、冷熱機械プロセスにおける圧力を介するＴＩ０３の制御であり、これは、これにより先行の温度ＴＩ０５を介して間接的に必要である。その際、２つの側面を同時に保持しなければならない。第１には、正しい流入温度が存在しなければならない。これは、冷却剤分散系の過冷却の関数であり、事前に実験により決定しなければならない。第２には、正しい熱量を設定しなければならない。これは、温度Ｔ０６の検査で行うことができる。
【００３０】
第２の制御回路は、冷却されるべき機械要素への流入のための可能な限り正確に適合している流入温度Ｔ０４を確保するのに必要である。これは、第１の制御回路のみならず、冷熱剤回路および第３の熱交換器における３ポート切替弁を用いて行われる。
【００３１】
本発明では、相転移材料が分散相として用いられ、これは、１８℃〜２８℃の相変化温度範囲において、好適には２１℃〜２５℃の相変化温度範囲において固相−液相の相転移を有する。分散媒体は、低粘性の、好適には０．５ｍＰａｓ〜１０００ｍＰａｓの流体から、たとえば油、グリコールまたは水性配合物から成る。分散相は、有機の、非極性の媒体、好適にはパラフィン、脂肪酸または脂肪酸エステル、たとえば実験式ＣnＨ2n+2を有するパラフィンから成る。付加的に、冷却剤としての分散系は、表面活性物質から成る乳化剤系を含む。乳化剤系は、分散系を安定化させ、たとえば以下の物質：ソルビタンステアレート、ソルビタンモノオレート、グリセロールモノステアレートおよび部分エトキシル化アルコールのうちの少なくとも２つの混合物を含む。
【００３２】
一形態では、分散相は、最大５μｍ、好適には１μｍ未満の直径を有し、これにより、分離に対する冷却剤分散系の安定性が供与されている。
【００３３】
一形態では、冷却剤分散系にいわゆる核生成剤が添加され、核生成剤は、過冷却の作用を最小限に抑え、たとえば融点と凝固点との間の１５ケルビンの温度差をさらに５ケルビンへと最小化する。
【００３４】
一形態では、冷却剤分散系における分散相の割合は、少なくとも１０％、好適には１５〜２５％である。分散系の相転移エンタルピは、３０ｋＪ／ｋｇ〜６０ｋＪ／ｋｇである。
【００３５】
好適な一形態では、分散系は、乳化剤系を含み、乳化剤系は、最大で５００００  １／ｓのずり速度で安定した乳濁液が生成されるように構成されている。安定化のために、分散系は、表面活性物質を含む乳化剤系を含有する。これは、たとえば８〜１５のＨＬＢ値（親水親油バランス）を有する乳化剤系である。乳化剤系は、すでに低いずり速度で安定した乳濁液が生成されるように選択される。
【００３６】
好適には、再生装置は、付加的に再冷却ユニットと攪拌ユニットとポンプとフィルタとを有する。攪拌ユニットとして、一形態では、ループリアクタが使用され、これにより分散系の均一な分配が得られる。別の形態では、シングル型の攪拌装置が使用される。
【００３７】
相転移材料を含む冷却剤分散系を安定させるため、連続的な再分散が有利である。本発明では、絞りを有する静的な再分散ユニットが使用される。静的な再分散ユニットは、モータを有する動的な再分散ユニットよりも極めて容易に実現することが可能である。再分散ユニットは、十分なせん断力が生じるので、乳濁液の再分散が行われるように構成することが可能である。必要なせん断力の高さは、乳濁液の通常の安定性、特に乳化剤系に依存する。同時に、再分散ユニットは、高すぎる圧力損失を有してはならない。というのも、これを最終的に圧送ポンプによって形成しなければならないからである。
【００３８】
絞りは、少なくとも１つの絞り開口を有する絞りボディを具備する。好適な一形態では、絞りは、多数の絞り開口を有し、これにより冷却剤分散系の最適な再分散が得られる。流れの狭小化により、流速が増加し、絞り開口を通流するときの流れの狭窄により、せん断および乱流が生じる。これにより、冷却剤分散系が分散させられる。動的な手段と比較して、この形態は、低コストの構造の利点を有する。さらに、絞りは、容易に取付け可能であるかつ取外し可能である。
【００３９】
例示的な一形態では、絞り開口の直径は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、好適には０．７ｍｍ、１ｍｍおよび１．５ｍｍである。直径の選択は、冷却剤分散系の組成と冷却されるべき機械要素の動作温度とに依存する。
【００４０】
一形態では、絞り開口は、相互に均一に分配して絞りボディに配置されている。絞りは、極めて小さな直径を有する。これは、従来技術では不可能であろう。というのもこれに伴う圧力損失が極めて大きく、ポンプ出力が高く、これにより生成物が加温されるからである。つまり、これは、従来では装置が煩雑であり、エネルギ的に不利である。そのために、極めて多数の絞り開口が均一に分配して絞りボディに貫通して取り付けられる。これにより、高い圧力損失を回避することが可能である。それにもかかわらず、十分に高いずり速度が得られる。
【００４１】
好適な一形態では、再分散ユニットは、冷却されるべき機械要素の通流の下流側に配置することが可能である。冷却されるべき機械要素の通流の後では、相転移材料は、冷却剤分散系中に融解されている。相転移材料を含む分散系は、乳濁液として存在し、したがって容易に再分散することが可能である。
【００４２】
実験において、再分散ユニットとしての新しい絞りにより、極めて細かく分けられた分散系を生成するまたは再分散することが可能であることが証明された。粗い乳濁液を、絞りを介して循環させ、粒径分布が測定された。測定は、それぞれ異なる３つの絞り直径で、それぞれ異なる数の絞り開口を用いて行われた。たとえば、ある絞りは、２．５ｍｍの直径を有する１個の絞り開口を具備し、ある絞りは、１ｍｍの直径を有する２１個の絞り開口を具備し、ある絞りは、０．５ｍｍの直径を有する６１個の絞り開口を具備する。すべての絞りで、極めて満足である、粒径分布の静的な最終値を得ることができた。計算されたずり速度は、２００００  １／ｓ未満にとどまり、したがって市販のロータ・ステータ・ジオメトリよりも著しく小さい。
【００４３】
本発明では、機械要素を冷却する冷却システムは、冷却剤分散系と再生装置とを備える。
【００４４】
本発明に係る工作機械は、冷却されるべき１つまたは複数の機械要素、特にモータスピンドルおよび／または電気機械駆動ユニットと冷却システムとから成る。
【００４５】
本発明は、相転移材料を含む冷却剤分散系を再生する方法から出発する。方法は、以下のステップ：絞りを有する再分散ユニットにより冷却剤分散系を再分散するステップと、再冷却ユニットによって、冷却剤分散系に蓄えられた熱を放出することにより相転移材料の凍結を可能にするステップであって、その際、再冷却ユニットは、放出された熱が少なくとも部分的に回収され、これにより冷却剤分散系が流入温度へと加熱されるように構成されている、ステップとを有する。
【００４６】
本発明を、図面に関して、例示的な実施の形態に基づき以下に詳説する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】冷却システムの概略図を示す。
【図２】水と相転移材料との熱容量の比較を示す。
【図３】相転移材料のエンタルピの測定結果を示す。
【図４】エンタルピの経過を示す。
【図５】再生装置の一実施の形態を示す。
【図６】攪拌ユニットを示す。
【図７】再分散ユニットの第１の形態、第２の形態および第３の形態を示す。
【図８】再分散ユニットの第４の形態、第５の形態および第６の形態を示す。
【図９】機械要素を冷却する冷却システムを示す。
【００４８】
発明の実施の形態
図１は、相転移材料を含む冷却剤分散系を再生する再生装置１の概略図を示す。再生装置は、第３の熱交換器６１と攪拌ユニット２０と再分散ユニット３０と再冷却ユニット４０と制御ユニット５０とから成る。冷却剤としての冷却剤分散系は、流入温度において第１相の状態で、冷却されるべき機械要素に流入して、機械要素の熱を吸収し、流出温度において第２相の状態で、機械要素から流出する。第１相では、相転移材料は固体である一方、第２相では、相転移材料は、液体として存在する。再冷却ユニット４０は、吸収された熱を放出させ、第２相から第１相への冷却剤分散系の相転移を可能にするように構成されている。さらに、冷却剤分散系は、相転移温度範囲の下限部分に位置する流入温度にまで制御される。図９に示されているように、加温された冷却剤分散系は、入口６２を通って機械要素２内へ流れ、出口６３を通って機械要素から外へ流れる。
【００４９】
制御ユニット５０は、多数の温度・流量モニタを有し、これにより様々な位置で冷却システムにおける冷却剤分散系の温度または流量が監視されかつ／または制御されることになる。
【００５０】
相転移材料を含む分散系は、融解温度が凝固温度よりも高い性質を有する。図２は、相転移材料と水との熱量吸収の比較を示している。ここで示された相転移材料は、約４０℃において相転移を有する。同等の温度差において、相転移材料は、極めて、より多くの熱量を吸収し、これに応じて相転移範囲では同一の熱量の場合より小さな温度差が認められる。理論的に極端な場合、これは等温である。冷却時、右上から左下への曲線が示すように、過冷却１１がその尖ったピークに認められる。ピークは、通常のヒステリシスに対応するであろうよりもさらに左方へ延びている。
【００５１】
図３は、温度に対するエンタルピの測定を示している。サンプルの、放出されたまたは吸収された熱量を検出するために示差走査熱量測定の手法が用いられてよい。
【００５２】
一実施の形態では、分散系は、約２０％の分散相割合、つまり相転移材料の割合を有する。相転移材料としてパラフィンと乳化剤としてエトキシル化脂肪アルコールとを含むこのような分散系では、相転移エンタルピは、約３０ｋＪ／ｋｇである。図３には、吸収された熱エネルギ１３と放出された熱エネルギ１２とが示されている。分散媒体と相転移材料との最適な選択により、相転移エンタルピを増加させることができる。好適な形態では、３０％の分散相の割合を有する冷却剤分散系が使用される。これにより、相転移エンタルピは、６０ｋＪ／ｋｇ〜８０ｋＪ／ｋｇの範囲に位置することが可能である。
【００５３】
図４には、機械要素の冷却に適用された、温度に対するエンタルピの変化が示されている。比較として、水と相転移材料を含む分散系との計算されたエンタルピ変化が示されている。
【００５４】
一実施の形態では、冷却されるべき機械要素は、スピンドルである。十分な冷却を保証するために、たとえば１４００ワット（またはＪ／ｓ）以上の熱出力をスピンドルから取り出さなければならない。スピンドルの動作温度は、２４℃〜２５℃の範囲にある。
【００５５】
実線１４は、冷却剤として水が使用されるときのエンタルピの変化を示している。加温時、エンタルピは、示された範囲では、温度に対する固有の熱容量を示すほぼ一定の傾きで、たとえば簡略化すると、４２００Ｊ／ｋｇのほぼ一定の比熱容量で増加する。
【００５６】
実線１５は、冷却剤として相転移材料を含む分散系が使用されるときのエンタルピの変化を示している。この場合、分散相の２０％の割合で、相転移材料としてパラフィンと乳化剤としてエトキシル化脂肪アルコールとが含まれる。
【００５７】
約２１．５℃（図３参照）において相転移に至るまでは、傾きは、約３８００Ｊ／ｋｇである。これは、水よりもいくぶんか低い比熱容量を有する２０％の有機相の割合によるものである。２１．５℃で相転移が始まる。これは約２６℃で終わる。
【００５８】
放出される熱量が２２００ワットで冷却剤水流が６ｌ／ｍｉｎのとき、２２０００Ｊ／ｋｇの比熱容量を冷却剤流により達成しなければならない。水による冷却の場合、図４において太い両矢１４ａでマークされたように、５．３Ｋの温度差、たとえば２２℃の流入温度および２７．３℃の流出温度が生じる。相転移材料を含む分散系を用いた冷却の場合、温度上昇は、わずか２．１Ｋである。吸熱作用において、相転移材料を含む分散系の場合、冷却剤の吸熱作用は、潜熱範囲内で行われることが重要であり、これにより効率的な冷却が得られ、冷却剤の流入温度と流出温度との差が最小限に抑えられる。
【００５９】
冷却時、相転移材料を含む分散系のエンタルピ変化は、加温曲線１５ではなく冷却曲線１６に従う。融解された分散相の状態は、融解点を超えて維持される。過冷却のこの作用は、理想化して冷却曲線１６により示されている。この作用は、相転移材料を含む分散系においても認められる。過冷却は、不都合であって避けられない。したがって、本来の相転移エンタルピは、約１１℃でようやく放出される。その結果、再冷却ユニットは、実際の相転移温度よりも低い温度で動作しなければならない。他の手段がないと、これにより、冷却循環機械の効率が低下し、極めて高い冷却能力需要が生じ、さらには再加温の必要すら生じる。
【００６０】
所定の傾きを有する冷却曲線の第１の部分１６ａは、顕熱の放出を表しており、冷却曲線の第２の部分１６ｂは、潜熱の放出、特に約１１℃での相転移エンタルピを表している。顕熱の放出後、相転移材料は、まだ第２相であり、つまり融解されている。潜熱の放出により、相転移材料は、第２相から第１相へとなり、相転移材料は、固体の状態にある。
【００６１】
図４に示されているように、相転移材料を含む分散系は、固体の状態で、流入温度になるように調整しなければならず、流入温度は、たとえば相転移温度範囲の下限部分に位置し、これにより機械要素は、考えられる一定の温度で冷却される。
【００６２】
図５は、改善された効率をもたらす再生装置の一実施の形態における全体の概略図を示している。相転移材料を含む冷却剤分散系を用いたプロセスをより良好に理解するために、以下、温度測定位置に関して、より良好な理解に役立つ温度の数値例が記載される。しかし、これらの数値例は、正確でありかつ／または有利であると解するべきものではない。
【００６３】
ＴＣおよびＰＣは、制御された温度と制御された圧力とを記号で表しており、ＴＩは、表示された温度を表している。ＴＣ２の目標温度は、２５℃であり、２３℃〜２７℃の範囲で調整可能である。凝縮圧力ＰＣ０７は、凝縮温度が８℃であり、６℃〜１０℃の範囲で調整可能であるように選択される。攪拌ユニットＴＩ０１における冷却剤分散系の温度は、ＴＣ０２を介して調整されていて、２３℃〜２７℃の範囲にある。第２の熱交換器４２  ＴＩ０３から流出した後の冷却剤分散系の温度は、ＰＣ０７を介して調整されていて、９℃〜１１℃の範囲にある。再生装置ＴＩ０４の出口における冷却剤分散系の温度は、ＴＣ０２を介して調整されていて、２２℃〜２３℃の範囲にある。第２の熱交換器ＴＩ０５に流入する前の冷却剤の温度は、ＰＣ０７を介して調整されており、６℃〜１０℃の範囲にある。冷却剤の過熱を回避するために、ＴＩ０５とＴＩ０６との間の温度差は、２Ｋ未満でなければならない。
【００６４】
冷却されるべき機械要素から冷却剤分散系が流出するとき、冷却剤分散系の温度は、２４℃〜２５℃の範囲にある。機械要素からの冷却剤分散系の流出温度が２４℃の場合、冷却剤分散系は、完全には融解されていない。これは、たとえば部分負荷の場合に生じ得る。この場合、冷却剤分散系は、第３の熱交換器６１において再分散ユニットに流入する前にさらに加温される。これは、以下に詳説されるように、加熱された冷熱剤４３を使用することにより実現される。一形態では、冷却剤分散系は、相転移温度範囲の端に位置する温度にまで、たとえば２６℃まで加熱される。このプロセスにより、相転移材料を含む冷却剤分散系が完全に融解されていて、後続の要素の通流にとって理想的な条件で存在するようになる。そうでない場合には、分散系中の大きな固体割合、たとえば凍結された凝集物が、フィルタ２２および再分散ユニット３０を閉塞し得るだろう。融解された相転移材料は、再分散ユニットによる最適な分散を保証することが可能である。さらに、第２の熱交換器４２は、より良好に動作させることが可能である。というのも、第２の熱交換器４２の効率的な動作のために、十分に高い温度Ｔ０２が必要であるからである。これは、位置ＴＩ０４の分散系に十分に高い温度を実現可能にするのに必要である。その結果、第２の熱交換器４２に、十分に大きな温度差が存在するので、位置０４での分散系の状態は、潜熱範囲がちょうど始まるようになっている。これは、たとえば２２℃である。第３の熱交換器６１による加温プロセスがないと、位置ＴＩ０４における冷却剤分散系の温度は、２０℃であり、この温度は、潜熱範囲が始まる温度よりも低い。ＴＩ０４において２０℃の温度でも機械要素が冷却され得る。しかし、機械要素内での温度上昇の値は、さらに２ケルビン（２２℃−２０℃）増加し、これは、温度定数を低下させ、その作用が、機械の精度を低下させる。
【００６５】
第３の熱交換器６１によって加温された冷却剤分散系は、攪拌ユニット２０とフィルタ２２と絞り３１とを通って流れる。絞り３１は、再分散ユニットとして用いられる。攪拌ユニット２０とフィルタ２２との間に、ポンプ２１が配置されており、これにより冷却剤分散系の通流が保証される。多数の温度モニタおよび流量モニタが使用され、これにより冷却システムにおける温度および流量が監視され、制御回路が実現される。流量モニタ５１は、フィルタの上流側に位置決めされており、これにより冷却剤分散系の流量が監視され、測定される。
【００６６】
絞りは、好適には、冷却されるべき機械要素の通流の下流側に配置されている。冷却されるべき機械要素の通流後、相転移材料は、冷却剤分散系中に融解されている。相転移材料を含む冷却剤分散系は、懸濁液として存在し、容易に分散可能である。
【００６７】
第１の熱交換器４１では、分散系が１１℃の温度に達するまで、冷却剤分散系の全エンタルピが放出される。相転移は、まだ行われていない。図４において、顕熱範囲において伝達される熱量は、潜熱範囲における実際の相転移の熱量よりもはるかに大きいことが看取される。
【００６８】
第２の熱交換器４２では、約１１℃（分散系の側で）において、相転移が、融解エンタルピの放出により行われる。ここでは、相転移材料を含む冷却剤分散系は、１１℃で凝固して存在する。位置ＴＩ０３のこの温度は、温度モニタによって検出することが可能である。第２の熱交換器４２からの冷たい冷却剤分散系は、第１の熱交換器４１を通って還流し、そこで位置ＴＩ０４での２２℃の所望の流入温度になる。位置ＴＩ０３での１１℃から位置ＴＩ０４での２２℃への温度変化は、往路での温度差、つまり１１℃で第２の熱交換器４２に流入するまでの位置ＴＣ０２での２４℃との差よりもわずかに小さい。これにより、小さな熱損失を補償することができる。第１の熱交換器４１における流れガイドは、好適には向流である。したがって、位置ＴＩ０４での流入温度は、好適には潜熱範囲で、たとえば２２℃である。
【００６９】
ＴＣ０２は、好適には、冷却剤分散系の温度が、懸濁液が存在する程度に高くなるような状態にある。この制御は、図５において、破線により示唆されている。冷熱剤圧縮機の下流側の高温ガス温度は、より高い周囲温度の温度レベルにあり、これにより空気冷却器により熱が周囲に放出される。高温ガス温度＞３０℃が好適であり、４０℃が特に好適である。
【００７０】
付加的に、十分に低い温度ＴＩ０３（たとえば１１℃）が、たとえば８℃の冷熱剤のより低温の温度（ＴＩ０５）により確保される。冷熱剤回路におけるＴＩ０５の制御は、バイパス制御によって好適に行われ、その際、バイパス圧力ＰＣ０７が制御される。必要な圧力は、使用される冷熱剤に応じて選択することが可能である。向流で運転される第２の熱交換器４２は、低減された冷熱需要と高いエネルギ効率とを有する過冷却を可能にする。
【００７１】
図６は、攪拌ユニット２０の概略図を示している。冷却剤分散系は、上側から攪拌ユニット内へ流れる。流れガイド用の管２０ａが、攪拌ユニット内に配置されている。これにより、良好で均一な混合が保証されるはずである。使用される管は、下側で横溝を有することが可能であり、これにより容器底に立設することが可能であり、これにより、冷却剤分散系が横溝を通って流出し、図示のように、循環することが可能である。完全に混合された冷却剤分散系は、攪拌ユニットの下部に配置された開口から流出することが可能である。
【００７２】
図７および図８は、絞り３１の６つの実施の形態を示している。全ての実施の形態は、丸い絞りボディ３３を有する。絞り開口３２は、絞りボディに貫通して形成されている。絞り開口の数は、様々な実施の形態でそれぞれ異なっている。一実施の形態は、１つの絞り開口を有する。別の実施の形態の絞り開口の数は、５、９、２１、２９および６１であり、これにより既定の流量で圧力降下が適合される。絞り開口の直径は、たとえば２．５ｍｍ、１．５ｍｍ、１ｍｍ、０．７ｍｍおよび０．５ｍｍと様々であってよい。
【００７３】
絞りにおける絞り開口は、好適には円形であるが、任意の幾何学形状を有してよい。
【００７４】
図９は、冷却剤分散系を用いて機械要素を冷却する冷却システム３を示している。再生装置１は、冷却剤分散系を再生するために使用される。
【符号の説明】
【００７５】
１  再生装置
２  機械要素
３  冷却システム
１０  分散系
１１  過冷却
１２  放出された熱
１３  吸収された熱
１４  エンタルピの変化（水）
１５  エンタルピの変化（相転移材料を含む分散系）
１６  冷却曲線（相転移材料を含む分散系）
２０  攪拌ユニット
２０ａ  管
２１  ポンプ
２２  フィルタ
３０  再分散ユニット
３１  絞り
３２  絞り開口
３３  絞りボディ
４０  再冷却ユニット
４１  第１の熱交換器
４２  第２の熱交換器
４３  冷熱システム
５０  制御ユニット
５１  流量モニタ
６１  第３の熱交換器
６２  出口
６３  入口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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