冷却液箱温度自动控制的研究

谭德宁 付振鲁 梁斌顺

(山东普利森集团有限公司，山东德州 253003)

在金属切削加工过程中，如果采用冷却液对刀具和工件进行冷却，能起到润滑、排屑、冷却和减磨的作用，是机床正常运转和稳定加工精度的保证。对于有些机床如深孔加工机床，冷却液是至关重要的，没有它就不能正常工作。目前，一些机床生产厂家采用压缩机强制制冷，设计简单方便，但是价格高、耗电大和污染环境。本文介绍一种经济、实用且无污染的油液冷却自动控制装置，被冷却液可以是油或乳化液。下面以油为例进行说明。

1 制冷原理和方法

在有些机床工作中，加工工件需要用冷却液制冷才能正常工作，如深孔钻床、磨齿机、滚齿机等。冷却箱温度的控制通常是靠温度继电器作检测，温度到达一定限度，电信号发讯给控制系统，然后再由I/O接口通过控制系统发出制冷信号，见图1。这种温度继电器是热电阻式温度计，是利用金属导体的电阻随温度变化的性质来测量温度，电阻体是由铂丝或銅丝制成的。如ZK2102深孔钻床对冷却液有如下要求:当切削冷却液的油温升高到一定程度(此机床调节到50℃)时，中央按钮站上的油温指示灯即亮，自动接通与冷却油箱连接的冷却水管，对切削冷却液进行冷却。经过多年的观察与思考，笔者设计了上述图1所示的简单、节能、低成本的温度自动控制系统。它由变量柱塞泵组3供油，经过溢流阀6调压进行深孔钻削冷却，然后经过排屑斗流回冷却液箱。冷却液箱上面由纸质滤油器8过滤。其中水冷冷却器9是关键的热交换器，对油液进行降温。

在对冷却液进行冷却时，需合理经济地实行最佳控制，使冷却液的温度控制在50℃左右。该冷却箱分为两个油箱，油液从机床上回来通过纸质滤油器8先流经右油箱，再通过泵组11将油输入水冷冷却器9进行热交换后流入左油箱，实现油液温度调节。

控制方法如图2所示，把冷却液箱分成两个油箱——左油箱、右油箱，关键的部件是冷却器6和温控阀7。在两个冷却箱连接的管路上安装一个温控阀7——随温度变化而长短变化，温控器由一个有弹性的折迭式的密闭膨胀圆筒和两个阀门所组成。用黄铜制成的膨胀圆筒内装有易于挥发的乙醚水溶液。膨胀圆筒内液体的蒸气压力随着周围温度而变化，故圆筒高度外围液体温度升高时，筒内液体气化，体积增大，使圆筒膨胀而向上伸长，于是上管道逐渐开大，侧管道则逐渐关小。反之，膨胀圆筒外围液体温度降低时，筒的高度减小，使上管道逐渐关小，侧管道逐渐开大。

在温控阀各阀门的不同开度下，使冷却液的循环通路有如下3种情况:

(1)当冷却箱在正常热状态下工作(冷却液温度低于40℃)，膨胀圆筒内的蒸气压力很低，使膨胀圆筒收缩到最小高度，上管道关闭，侧管道则完全开启，此时冷却液不需制冷。

(2)当冷却液温度高于50℃左右时，冷却液全部流经冷却散热器，此时温控阀的上管道完全开启，而侧管道完全关闭，形成大循环制冷。

(3)当冷却液在40～50℃范围时，这两个管道均处于与温度相适应的半开位置，此时只有部分冷却液流经散热器进行制冷。

热传递的3种方式为对流、传导、热辐射。要想使冷却液尽快冷却下来，这里采用了“对流”制冷的方法。水冷冷却器6是一组带散热片的铜管，两段与散热器前后盖内的制冷液相通，工作时制冷液(水)在管子内流动，而冷却油则在管子外受隔片限制而成曲路流动。高温油液的热量通过制冷管上的散热片传递给制冷液(水)而被带走，达到了冷却的目的。

2 水和油散热量对比

由热学可知:

式中:Q为散热量;C为比热;m为质量;Δt为温度差。由此可知，采用“对流”散热的方法，合理选用水冷冷却器6的散热面积能使制冷液与冷却液出口的温度基本相同(Δt≤5 ℃)。

表1 几种物质的比热

由表1中可知，选用液态氢作为制冷液是最理想但却是不现实的，选用水作为制冷液才是最经济的，吸热能力几乎是油的2倍。从实际出发选用水作为制冷液，注意在选用散热器时要有足够的散热面积。当水的质量与油的质量m相同、温度变化Δt也相同时，Q水=2Q油，说明水的吸热能力比油强2倍。在深孔钻床ZK2102上原先使用油作制冷液，所需冷却油的体积为实际流量的10倍，现在，使用水作制冷液，所需冷却油的体积为实际流量的5倍即可，减少了冷却油的用量，成本降低。

采用风机吹扫冷却器6的目的是使冷却液向周围环境散热的速度加快，阻滞冷却液温度的上升，有一定的作用。周围环境温度高时可以安装风机。

3 结语

本文通过对关键部件温控阀和水冷冷却器的介绍，提出了一种自动控制油温的冷却装置，再通过散热量公式比较，得出水是一种经济的制冷液，用过的水可以重新作为自来水使用，无浪费。该种冷却制冷装置比采用压缩机强制制冷省电、价格也便宜，是一种无污染的冷却方法，值得在有些企业中推广使用。

［1］陈心昭.现代实用机床设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.