冷卻液箱溫度自動控制的研究

譚德寧 付振魯 梁斌順

(山東普利森集團有限公司，山東德州 253003)

在金屬切削加工過程中，如果采用冷卻液對刀具和工件進行冷卻，能起到潤滑、排屑、冷卻和減磨的作用，是機床正常運轉和穩定加工精度的保證。對于有些機床如深孔加工機床，冷卻液是至關重要的，沒有它就不能正常工作。目前，一些機床生產廠家采用壓縮機強制制冷，設計簡單方便，但是價格高、耗電大和污染環境。本文介紹一種經濟、實用且無污染的油液冷卻自動控制裝置，被冷卻液可以是油或乳化液。下面以油為例進行說明。

1 制冷原理和方法

在有些機床工作中，加工工件需要用冷卻液制冷才能正常工作，如深孔鉆床、磨齒機、滾齒機等。冷卻箱溫度的控制通常是靠溫度繼電器作檢測，溫度到達一定限度，電信號發訊給控制系統，然后再由I/O接口通過控制系統發出制冷信號，見圖1。這種溫度繼電器是熱電阻式溫度計，是利用金屬導體的電阻隨溫度變化的性質來測量溫度，電阻體是由鉑絲或銅絲制成的。如ZK2102深孔鉆床對冷卻液有如下要求:當切削冷卻液的油溫升高到一定程度(此機床調節到50℃)時，中央按鈕站上的油溫指示燈即亮，自動接通與冷卻油箱連接的冷卻水管，對切削冷卻液進行冷卻。經過多年的觀察與思考，筆者設計了上述圖1所示的簡單、節能、低成本的溫度自動控制系統。它由變量柱塞泵組3供油，經過溢流閥6調壓進行深孔鉆削冷卻，然后經過排屑斗流回冷卻液箱。冷卻液箱上面由紙質濾油器8過濾。其中水冷冷卻器9是關鍵的熱交換器，對油液進行降溫。

在對冷卻液進行冷卻時，需合理經濟地實行最佳控制，使冷卻液的溫度控制在50℃左右。該冷卻箱分為兩個油箱，油液從機床上回來通過紙質濾油器8先流經右油箱，再通過泵組11將油輸入水冷冷卻器9進行熱交換后流入左油箱，實現油液溫度調節。

控制方法如圖2所示，把冷卻液箱分成兩個油箱——左油箱、右油箱，關鍵的部件是冷卻器6和溫控閥7。在兩個冷卻箱連接的管路上安裝一個溫控閥7——隨溫度變化而長短變化，溫控器由一個有彈性的折迭式的密閉膨脹圓筒和兩個閥門所組成。用黃銅制成的膨脹圓筒內裝有易于揮發的乙醚水溶液。膨脹圓筒內液體的蒸氣壓力隨著周圍溫度而變化，故圓筒高度外圍液體溫度升高時，筒內液體氣化，體積增大，使圓筒膨脹而向上伸長，于是上管道逐漸開大，側管道則逐漸關小。反之，膨脹圓筒外圍液體溫度降低時，筒的高度減小，使上管道逐漸關小，側管道逐漸開大。

在溫控閥各閥門的不同開度下，使冷卻液的循環通路有如下3種情況:

(1)當冷卻箱在正常熱狀態下工作(冷卻液溫度低于40℃)，膨脹圓筒內的蒸氣壓力很低，使膨脹圓筒收縮到最小高度，上管道關閉，側管道則完全開啟，此時冷卻液不需制冷。

(2)當冷卻液溫度高于50℃左右時，冷卻液全部流經冷卻散熱器，此時溫控閥的上管道完全開啟，而側管道完全關閉，形成大循環制冷。

(3)當冷卻液在40～50℃范圍時，這兩個管道均處于與溫度相適應的半開位置，此時只有部分冷卻液流經散熱器進行制冷。

熱傳遞的3種方式為對流、傳導、熱輻射。要想使冷卻液盡快冷卻下來，這里采用了“對流”制冷的方法。水冷冷卻器6是一組帶散熱片的銅管，兩段與散熱器前后蓋內的制冷液相通，工作時制冷液(水)在管子內流動，而冷卻油則在管子外受隔片限制而成曲路流動。高溫油液的熱量通過制冷管上的散熱片傳遞給制冷液(水)而被帶走，達到了冷卻的目的。

2 水和油散熱量對比

由熱學可知:

式中:Q為散熱量;C為比熱;m為質量;Δt為溫度差。由此可知，采用“對流”散熱的方法，合理選用水冷冷卻器6的散熱面積能使制冷液與冷卻液出口的溫度基本相同(Δt≤5 ℃)。

表1 幾種物質的比熱

由表1中可知，選用液態氫作為制冷液是最理想但卻是不現實的，選用水作為制冷液才是最經濟的，吸熱能力幾乎是油的2倍。從實際出發選用水作為制冷液，注意在選用散熱器時要有足夠的散熱面積。當水的質量與油的質量m相同、溫度變化Δt也相同時，Q水=2Q油，說明水的吸熱能力比油強2倍。在深孔鉆床ZK2102上原先使用油作制冷液，所需冷卻油的體積為實際流量的10倍，現在，使用水作制冷液，所需冷卻油的體積為實際流量的5倍即可，減少了冷卻油的用量，成本降低。

采用風機吹掃冷卻器6的目的是使冷卻液向周圍環境散熱的速度加快，阻滯冷卻液溫度的上升，有一定的作用。周圍環境溫度高時可以安裝風機。

3 結語

本文通過對關鍵部件溫控閥和水冷冷卻器的介紹，提出了一種自動控制油溫的冷卻裝置，再通過散熱量公式比較，得出水是一種經濟的制冷液，用過的水可以重新作為自來水使用，無浪費。該種冷卻制冷裝置比采用壓縮機強制制冷省電、價格也便宜，是一種無污染的冷卻方法，值得在有些企業中推廣使用。

［1］陳心昭.現代實用機床設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.