Concepts for energy self-sufficient cooling of direct linear drives
Final Report Abstract
Bei Analysen zur Energieeffizienz von Produktionsmitteln wurde gezeigt, dass ein maßgeblicher Anteil der eingesetzten Energie E in Form von thermischen Verlusten ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Ein Beispiel hierfür sind Lineardirektantriebe, die durch ihre hohe Dynamik und Genauigkeit im Werkzeugmaschinenbau eingesetzt werden. Diese weisen thermische Verluste auf und müssen prozessbedingt temperiert werden. Thermoelektrische Generatoren können das ̇ Abwärmepotenzial nutzen, indem sie aus dem induzierten Wärmestrom Qin eine elektrische Leistung Pel rückgewinnen. Mit dem Ziel zur Entwicklung eines adaptiven sowie bedarfsgerechten Kühlsystems für hochdynamische Werkzeugmaschinen wird die thermoelektrisch rekuperierte elektrische Leistung Pel zur Kühlung der Antriebe eingesetzt. In der ersten Förderperiode wurde ein adaptives Kühlsystem mit TEG konzipiert, modelliert und durch Integration in einen Achsprüfstand mit LDA prototypisch realisiert. Ausgehend von diesen Vorarbeiten erfolgten in der zweiten Förderperiode die Analyse des thermoelektrischen Systemverhaltens sowie die Validierung der abgeleiteten Modelle anhand von experimentell ermittelten Daten. Aufgrund bestehender Restriktionen innerhalb des Achsprüfstands wurde zusätzlich ein statischer Prüfstand in Betrieb genommen, der die Datenaufnahme unter kontrollierten Randbedingungen ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz des adaptiven Kühlsystems mit TEG ohne den Verbrauch von extern zugeführter elektrischer Leistung Pext die Einhaltung der zulässigen Motorkerntemperatur ϑM = 100 °C sicherstellt und damit die uneingeschränkte Betriebsfähigkeit des LDA ermöglicht. Gegenüber einer Referenzkonfiguration ohne aktive Kühlung konnte der Temperaturanstieg in der genauigkeitsbestimmenden Anschlussplatte ΔϑAP(t) auch im energieautarken Betrieb signifikant reduziert werden. Anhand von experimentellen sowie simulativen ̇ Untersuchungen mit variierendem induzierten Wärmestrom Qind wurde die Fähigkeit des adaptiven Kühlsystems mit TEG zur selbstständigen sowie bedarfsgerechten Einstellung der Kühlleistung PK durch Anpassung des Volumenstroms V̇ nachgewiesen. Sowohl bei konstanten als auch veränderlichen Randbedingungen konnte eine hohe Übereinstimmung der simulativen sowie experimentellen Daten und damit eine ausreichende Prognosegenauigkeit der abgeleiteten Modelle festgestellt werden. Der Vergleich mit einem konventionellen Kühlsystem zeigt aufgrund der integrierten TEG einen höheren thermischen Gesamtwiderstand RG und damit eine höhere Temperatur auf der Oberseite des Primärteils ϑPT. Mit dem Ziel diesen Nachteil zu reduzieren, wurden Ansätze zur Optimierung des adaptiven Kühlsystems mit TEG präsentiert und hinsichtlich ihres Potenzials simulativ sowie experimentell untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Integration einer Wärmebrücke sowie das Einbringen von Querbohrungen in die genauigkeitsbestimmende Anschlussplatte einen positiven Einfluss auf die fokussierten Optimierungsschwerpunkte besitzen. Als Gesamtergebnis hat das Forschungsprojekt mit dem Titel „Konzepte zur energieautarken Kühlung von Lineardirektantrieben“ den Nachweis erbracht, dass die Nutzung von systeminhärenter Energie Esys zum Betrieb eines Kühlsystems für Werkzeugmaschinen grundsätzlich möglich ist. Das entwickelte adaptive Kühlsystem mit TEG ist in der Lage im vollständig energieautarken Betrieb eine Wasserpumpe sowie einen Lüfter zu versorgen und damit die uneingeschränkte Betriebsfähigkeit des LDA zu ermöglichen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen leitet sich ein noch bestehender Forschungsbedarf zur weiteren Optimierung von adaptiven Kühlsystemen mit TEG sowie zur Entwicklung eines geregelten Temperiersystems mit Peltierelementen ab.
Publications
- (2020) Modelling of a thermoelectric self-cooling system based on thermal resistance networks for linear direct drives in machine tools. Journal of Machine Engineering 20 (1) 43–57
Uhlmann, E.; Polte, M.; Salein, S.; Triebel, F.
(See online at https://doi.org/10.36897/jme/117783) - Konzepte zur energieautarken Kühlung von Lineardirektantrieben. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (2016) 7/8, S. 411 – 415
Uhlmann, E.; Salein, S.
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111562) - Energieautarke Kühlung von Lineardirektantrieben. wt online 107 (2017) 5, S. 1 – 8
Uhlmann, E.; Salein, S.
- Development of a dynamic model for simulation of a thermoelectric self-cooling-system for linear direct drives in machine tools. 1st Conference on Thermal Issues in Machine Tools, Dresden, Germany, 21. – 23.03.2018
Uhlmann, E.; Prasol, L.; Thom, S.; Salein, S.; Wiese, R.
- Experimentelle Evaluation eines adaptiven Kühlsystems mit thermoelektrischen Generatoren in einer hochdynamischen Werkzeugmaschine. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (2019) 11
Uhlmann, E.; Polte, M.; Salein, S.; Triebel, F.; Iden, N.
(See online at https://doi.org/10.3139/104.112150)
