TWI328101B - Testing apparatus for machine cooler and its testing method - Google Patents

Description

1328101 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種水冷卻測試機，且特別是有關於 一種使用環保冷媒、與負載合為一機以及可外接負載的水 冷卻測試機。 【先前技術】 為順應全球強烈的環保意識，自1995年12月後，傳 統的氟氣碳（CFCs)冷媒已徹底地遭淘汰，目前被廣泛使 用的氫氟氯碳（HCFCs)冷媒又由於仍然帶有微量的臭氧 層破壞潛能（ozone depletion potential, ODP)值及地球暖 化潛能（global warming potentials, GWP )值，因此已於蒙 特婁（Montreal )公約中即將面臨管制停產，導致目前使 用HCFC22冷媒為主的中央空調主機及工具機冷卻器 (machine tool cooler )等冷;東空調系統帶來極嚴重的衝 擊，故全面使用氫氟碳（HFCs )新環保冷媒勢在必行。 然而，因為新環保冷媒部份屬於非共沸 (non-azeotropic )混合冷媒系列，在氣液相共存區具有溫 度滑落（temperature glide )及成份變動（Composition shift ) 現象，在系統運轉性能、系統冷媒充填或組裝維修階段之 洩漏等問題皆與純質冷媒有所不同，對系統性能將產生相 當程度之影響，因此系統有重新規劃的問題。 而目前國内工具機水冷卻器製造廠商對於非共沸混 合冷媒造成的溫度滑落現象的問題，尚無一完善的解決之

1328101 道，因此，研發一匹配環保新冷媒之工具機水冷卻器是絕 對必要且相當急迫的。

另一方面，當工具機進行高速加工作業時，由於主軸 箱軸承（headstock bearings)及齒輪傳動裝置所產生之高 熱量，導致主軸迅速溫升，當機器組成的零件間存在 之溫差時，主軸中心將發生熱變位而偏離機柱的中心位置 及主軸頭，進而嚴重影響加工精度。因此，為實現精密製 知·加工時之最佳溫控精密度，對於工具機冷卻介質溫控之 熱管理（thermal management )顯得格外重要亦即表示 工具機必需適當地搭配具有高精度溫控策略之恆溫冷卻 裝置來抑制發熱量。 目前工具機冷卻器製造廠商進行水冷卻器測試實驗 2 ’ -般是採用-台水冷卻器再額外搭配_加熱器負載設 2站’其中所需要連接之管路佔用相當大的空間，造成作

=員進行實驗賴時極大料方便，增加了水冷卻器測 驗的難度此外…般測試系統之加熱器負載通常又 ，=:調變型式’對於學術單位及冷卻器製造廢商而 ^ 2換裝新環保冷職在不㈣載下之變化情形 ° 將存在一定之瓶頸。 測試^之^統㈣㈣保冷職，水冷卻器進行性能 而需要針對如果水冷卻11必須考量不㈣統元件 絲备 行更換動作時’必然需要透過非常繁 的系統處理步驟（如焊接、抽真 二 媒等），此兴尤至保漏及重灌冷 +會消耗大量的冷媒、鋼管及氧乙炔等材

2更將耗用許多無謂的時間、金錢及人力資源。倘若又 ·、' =正吊程序將冷媒進行回收，隨意排放冷媒的結果將嚴 重” a生物所生長的自然環境，進而對地球造成極大的傷 【發明内容】 本發明的目的在提供一種水冷卻測試機，藉由水循環 鲁 系'統與負載合為一機，經由水流量調整閥門調整閥門之開 度進而控制不同水流量，模擬測試實務應用的情形，且可 卜接外邛負載增加該水冷卻測試機之實用性。 本發明的另一目的是在提供-種水冷卻測試機，該水 冷卻測試機可提供各種環保冷媒進行性能實驗，且藉由安 裝在冷料統中的進/出口處之閥門.，可快速的更換系統元 件’進：不同系統元件之實驗’減少系統重置的缺點。更 在欠循衣系統及冷束系統上各元件進/出口處安裝檢測裝 • i ’藉由顯示系統各點之溫度與壓力裝置，即時監控水冷 卻器測試機之狀態。 本發月的又另一目的就是在提供一種水冷卻測試機 用以進行不同溫度控制之測試方法，根據熱氣旁通裝置與 内部負載之控制模式，達到精密控制循環水溫度之效果。 依照本發明之-種水冷卻測試機，m统； -水循環系統，與該冷;東系統進行熱交換，並包含一 内部負載裝置；以及 -檢測裝置，包含複數個溫度計及壓力計，該些溫度 7 1328101 計及壓力計位於該水循環系統與該冷凍系統之進出管路 • 上’用以量測管路之溫度及壓力； * 其中該内部負載裝置改變該水循環系統的熱量變 • 化’以藉由該些溫度計測試該水循環系統與該冷凍系統各 元件之進/出管路上的溫度變化。 依照本發明之_種水冷卻測試方法，其中該水冷卻測 含-冷料、統以及—水循環“，該冷;東系統包含 • 一熱氣旁通裝置，該水循環系統與該冷凍系統進行熱交 換，並包含—内部負載裝置，該測試方法包含：調整該内 P負載裝置之加熱量；設定該水循環系統之容室出口溫 度j測該水循環系統之之容室出口溫度；將該出口水溫 度回授至該冷/東系統之熱氣旁通裝置；以及調整該熱氣旁 通裝置之閥門，改變該冷凍系統之冷凍能力。 依照本發明可達到真正測試各種環保冷媒之需要，即 設計易變更且可拆卸系統元件之方式，此設計將可方便更 • 、不同J衣保冷媒系統所需的元件，以解決因實驗重置系 統所需花費的時間與人力。 【實施方式】 >’、’、第1圖，係為依照本發明之一水冷卻測試機的一 第一實施例的系統線路圖。 參照第2圖，传么# , π u 1承马第1圖中水冷卻測試機的水循環系 統的線路圖。 參照第3圖，传主@ , π u 1承马第1圖中水冷卻測試機的冷凍系統 8 1328101 的線路圖。 本發明之水冷卻測試機包含一水循環系統1〇〇、一冷 凍系統200、一檢測裝置3〇〇、一閥門裝置4〇〇以及一視 窗裝置500。 該水循環系統100 ’包含一儲水裝置11〇、一抽水幫浦 120、一水流量調節裝置13〇、一水流量計14〇、一容室15〇、 一内部負載160、一外接負載閥門部i 7〇，循環水由該儲 水裝置110經由該抽水幫浦丨2〇抽至該水流量調節裝置 130，該水流量調節裝置13〇控制其循環水流量且由該水 流1计140顯示其數值，受限制之循環水進入該容室〖5〇， 該容室150之功能為進行熱交換。該外接負載閥門部17〇 可將循％水導引至外部負載，使該水冷卻器測試機能夠迅 速切換連接至真實負載，可大幅提高實驗測試之實用性。 該冷凍系統200，包含一壓縮機21〇、一冷凝器22〇、 一儲存裝置230、一乾燥器過濾器24〇、一冷媒流量計25〇、 複數個毛細管裝置260、一熱氣旁通裝置27〇以及一蒸發 器280，該壓縮機21 〇將高溫高壓之冷媒（工作流體）排至 該冷凝器220放熱，該冷凝器22〇採氣冷式散熱，其散熱 系統可採用手動變頻以及自動變頻方式控制其風扇馬達 之轉速，不同風扇馬達之轉速將影響風扇帶動散熱之效 果，同時也影響該冷凝器22〇内部壓力之不同。 因此，可模擬該冷凝器22〇之散熱狀態測試各種不同 情形’降溫後之冷媒呈液體之型態，經由管路流至該儲存 裝置23〇(在本實施例中為一儲存槽）。該儲存裝置230經 9 由管線連接至該乾燥m謂，該乾燥ϋ職器240用 以過濾冷媒及該冷;東系統之雜f，並乾燥系統中水份該 ，燥器過濾器240後方連接該冷媒流量計25()，該冷媒流 量十5〇可顯示出冷媒之流量，冷媒流經該冷媒流量計25〇 進入複數個毛細管裝置260。 該些毛細管裝置260採用三支分路之管路，提供三種 不同尺寸之毛細管膨脹元件搭配該冷凍系統200使用，可 針對毛細f交替使料行性能之測試，亦可藉由在毛細管 裝置260的進/出口處之閥門裝置4〇〇 ’快速的更換膨脹元 牛進行不同膨脹元件之實驗，冷媒經由毛細管降壓後進 入一蒸發器280進行吸熱作用，將該容室15〇内循環水之 …、里帶走，熱交換後之冷媒為低壓低溫之氣態冷媒再度進 入°亥壓縮機210進行壓縮形成一冷康循環。 該熱氣旁通裝置270包含一第一閥門271、一第二閥 門272及一第三閥門273，該熱氣旁通裝置27〇迴路介於 該等毛細管裝置260出口與壓縮機210排氣口之間，該第 閥門271 & ON-OFF電磁閥，該第二閥門272為比例式 熱氣旁通閥，該第三閥門273為電子式熱氣旁通閥，在此， 可比較其恆溫控制精密度之優劣，隨後更可依據不同溫控 精密度之需求而採用適當的熱氣旁通閥件，因此，可藉由 控制熱氣旁通裝置，即能實現最經濟且穩定的溫控策略。 該檢測裝置300,包含複數個溫度計31〇以及複數個 壓力计320，該等溫度計310與壓力計320位於該水循環 系統100與該冷凍系統200各元件之進/出管路上，主要量 1328101 測管路之溫度與壓力。 該閥門裝置400,設置在該冷凍系統中各元件之進/出 知官路上，包括該壓縮機210、冷凝器220、儲存裝置230、 乾燥器過濾器240、冷媒流量計250、該等毛細管裝置26〇、 熱氣旁通裝置270、蒸發器280，可供該冷凍系統中各元 件之父替互換，以減少系統重置之時間，且使用不同環保 冷媒測試時，能夠快速更換適當的冷凍元件。 該視窗裝置500設置於該冷凍系統各元件之出口管路 上’包含該壓縮機210、冷凝器220、儲存裝置230、乾燥 器過滤器240、冷媒流量計250、該等毛細管裝置260、熱 氣旁通裝置270、蒸發器280’主要提供觀察管路内部冷 媒之狀態。 參照第4圖，係為本發明之水冷卻系統之内部負載控 制元件方塊圖。 設定一水循環系統之容室出口預設溫度值61〇，該預 設溫度值傳送至一比較器620比較預設溫度值與實際回授 溫度’將比較過後之一誤差訊號傳給一比例微分積分控制 器630。該比例微分積分控制器630接收該誤差訊號並進 行運算分析，然後再輸出一電流訊號（在本實施例中，該電 流訊號約4mA至約20mA之間）經由功能轉換器640至一 矽控整流器650，該矽控整流器650接收比例微分積分控 制器630之電流訊號，且矽控整流器650依該電流訊號傳 送一訊號至一加熱系統660調整加熱功率值，該加熱系統 660依該矽控整流器650之訊號進行加熱量調整動作，且 11 1328101 輸出一加熱量至恆溫受控系統670以及由功率計661顯示 加熱功率值，該恆溫受控系統67〇將溫度保持在預設範 圍’且由溫度計671顯示該水系統溫度值，一溫度感測元 件680由匣/jnL丈控系統67〇感測該水循環系統一實際回授 溫度值，並傳送該實際回授溫度值至該比較器比較62〇。 該功能切換器640亦可切換至手動輸入加熱功率值641， 該矽控整流器650接收該功能切換器64〇之訊號並且讀取 該輸入加熱功率值641，且將該功率值傳送至一加熱系統 660，該加熱系統660依該輸入加熱功率值641之功率值 開始加熱動作，且輸出一加熱量至恆溫受控系統67〇，以 及由溫度計顯示該水循環系統溫度值。 經由如此反覆的追縱實際回授的溫度訊號與設定之 水溫值以適當的控制加熱量，將能夠使系統快速且精確地 達到設定溫度之目的。 參照第5圖，係為本發明之冷凍系統之熱氣旁通裝置 控制元件方塊圖。 設定一水循環系統之容室出口水溫預設溫度值710， 該預設溫度值傳送至一功能切換器720,該功能切換器720 切換比例式控制熱氣旁通閥730或電子式控制熱氣旁通閥 731控制’且將該溫度值傳至一比較器74〇,741，當選擇比 例式控制模式730時，該比較器740比較該預設溫度值與 一實際回授溫度值，將比較過後之一誤差訊號傳至一比例 微分積分控制器750，該比例微分積分控制器750接收該

誤差訊號並進行運算分析，然後再輸出一電流訊號（約4mA 12 1328101 • 至2〇mA之間）至一比例式輸出器770,該比例式輪出器77〇 接收該電流訊號並將該電流訊號轉換為一步進訊號傳送 • 至一比例式輸出器760(如一步進馬達），該比例式輸出器 760接收該步進訊號且驅動一比例式熱氣旁通閥門了川， 進行微調該比例式熱氣旁通閥門770開度的控制。 當選擇電子式旁通閥溫度控制模式731時比較器接 • 741收該溫度值且比較該預設溫度值與一實際回授溫度， φ 較過後之—誤差㈣傳給—比例微分積分控^器 751，該比例微分積分控制器751接收該誤差訊號並進行 運算分析，然後再輸出一電流訊號至一電子式熱氣旁通閥 :_”71，該電子式熱氣旁通閥門771接收該電流訊號且進 打該電子式熱氣旁通閥門771開度的控制。 上述比例式熱氣旁通閥73〇或電子式熱氣旁通閥731 溫度控制藉由-怪溫受㈣統谓將溫度保持在預設範 圍，且該恆溫受控系統78〇輸出一實際循環水出口溫度 • '，如步驟781所示。利用一溫度感測元件谓感測該實 際循，水出口回授溫度值，並傳送該實際回授溫度值至該 比較器740以及741，經由如此持續的追縱實際回授的溫 ^訊號與設定之溫度值進行比較來適當的控制熱氣旁通 里，便旎夠進行精確又經濟的溫度測試實驗。 上述該水冷卻器測試機將冷凍循環系統300與内部負 載60 口為體’能使用於測試各種環保冷媒之特性以及 大幅減少測試時所需要的空間，可提供模擬不同水循環系 統之負載以進行測試，且可彈性搭配不同外部負載而進行 式實驗°為了因應實際測試之需要，在每個it件的進口 4置白°又有檢測裝置300、閥門裝置400以及視窗 ^置5〇〇,可提供即時㈣冷媒狀態（如壓力或溫度）及 的速進行變換不同m件之實驗，大幅增加實驗測試上 1更利性’更可解決因實驗更換元件時所需花費的時間及 料等I源。而内部負載i 6〇以及熱氣旁通裝置27〇控制 之迴路設計更增加溫度控制之精準性。 —雖然本發明已以一實施例揭露如上，然其並非用以限 =本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和 I巳圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目#、特禮文、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1圖係為依照本發明之一水冷卻測試機的一第一實 施例的系統線路圖。 第2圖係為第1圖中水冷卻測試機的水循環系統的線 路圖。 第3圖係為第1圖中水冷卻測試機的冷凍系統的線路 圖。 第4圖係為本發明的内部負載之元件示意方塊圖 第5圖係為本發明的熱氣旁通裝置之元件示意方塊圖 1328101

【主要元件符號說明】 100 :水冷卻系統 120 :抽水幫浦 140 :流量計 160 :内部負載裝置 200 :冷;東系統 220 =冷凝器 240 :乾燥過濾器 260 :毛細管裝置 271 :電磁閥 273:電子式熱氣旁通閥 300 :偵測裝置 320 :壓力計 500 :視窗裝置 610 :步驟 630 :比例微分積分控制器 641 :步驟 660 :加熱系統 661 :功率計 6 71 .溫度計 720 :功能切換器 740 :比較器 7 5 0 :比例微分控制器 760 :比例式輸出器 110 :儲水裝置 130 :水流量控制闊 150 :容室 170:外接負載裝置 210 :壓縮機 230 :儲存槽 250 :冷媒流量計 270 :熱氣旁通裝置 272 .比例式熱氣旁通闕 280 :蒸發器 310 :溫度計 400 :閥門裝置 620 :比較器 640 :功能切換器 650 :矽控整流器 6 7 0 . ’)·亙溫受控系統 680 :溫度感測元件 710 :步驟 730 :比例式控制模式 731 :電子式控制模式 741 :比較器 751 :比例微分控制器 770 :比例式熱氣旁通閱門 15 1328101 771 :電子式熱氣旁通閥 780 :恆溫受控系統 790 :溫度感測元件 781 :溫度計

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Claims (1)

1. - 99年5月5日修正替換頁 十、申請專利範固： -- h一種水冷卻測試機，包含： .- = 冷凍系統，包含一熱氣旁通裝置以及一閥門裝置， .· ^間：裝置設置在該冷來系統中各元件之進/出管路上； -水循環H與該冷;東线進行熱交換，並包含一 内部負載裝置；以及 一檢測裝置，包含複數個溫度計及壓力計，該些溫度 % D十及壓力计位於該水循環系統與該冷凍系統之進出管路 上’用以量測管路之溫度及壓力； 其中該内部負載裝置改變該水循環系統的熱量變 化，以藉由該些溫度計及壓力計測試該水循環系統與該冷 凍系統各元件之進/出管路上的溫度及壓力變化。 2.如申清專利範圍第1項所述之水冷卻測試機，其中 該水循環系統更包含 ^ 一儲水裝置； 一水流量調節裝置； 一抽水幫浦，設於該儲水裝置與該水流量調節裝置之 間； . 一水流量檢測計，連接於該水流量調節裝置； 一熱交換裝置，連接於該冷凍系統以進行熱交換；以 及 一外接負載裝置，用以導引循環水至外部負栽。 17 1328101 99年5月5日修正替換頁 3·如申請專利範圍第1項所述之水冷卻測試機，其中 該冷凍系統更包含 一工作流體； 一壓縮機； 一冷凝器’連接於該壓縮機； 一儲存裝置，連接於該冷凝器； 一乾燥過濾器•，連接於該儲存裝置； 一冷媒流量計’連接於該乾燥過濾器； 一毛細管裝置，連接於該冷媒流量計；以及 一視窗裝置連接於該壓縮機、該冷凝器、該熱氣旁通 裝置之出口端，以提供觀察管路内部冷媒。 4. 如申請專利範圍第1項所述之水冷卻測試機，其中 該熱氣旁通裝置包括一電磁閥、一比例式熱氣旁通間門以 及一電子式熱氣旁通閥門。 5. 如申請專利範圍第3項所述之水冷卻測試機，其中 該冷康系統之工作流體為環保非共沸（n〇n_aze〇tr〇pic )混 合冷媒。 6·如申請專利範圍第3項所述之水冷卻測試機，其中 該冷凍系統之冷凝器係為一氣冷式散熱系統，該氣冷弋散 熱系統包含一變頻方式控制風扇馬達。 18 1328101 ___ 99年5月5日修正替換頁 7.如申凊專利範圍第3項所述之水冷卻測試機，其中該 些毛細管裝置為三支分路之管路。 8. —種水冷卻測試機之測試方法，其中該水冷卻測試 機包含一冷凍系統以及一水循環系統，該冷凍系統包含一 熱氣旁通裝置，該水循環系統與該冷凍系統進行熱交換， 並包含一内部負載裝置’該測試方法包含： 增加該内部負載裝置之溫度； 設定該水循環系統之容室出〇水溫产. 偵測該水循環系統之容室出口水溫度； 將該水循環系統之容室出σ水溫度回授至該冷束系 統之熱氣旁通裝置；以及 調整該熱氣旁通裝置之閥門，改變該冷束系統之冷珠 能力。

   9.如申請制範圍第8項料之水冷卻測試機之測試 方法，其中該熱氣旁通裝置包括一雷磁 电秘閥、一比例式熱氣 旁通閥門以及一電子式熱氣旁通閥門。