Erschienen am: 14.04.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN Hannover Messe 2017

Kühlsysteme für Werkzeugmaschinen

Exakt regeln und effizient kühlen

Kühlsysteme für Werkzeugmaschinen müssen zahlreiche Anforderungen erfüllen. Im Vordergrund steht dabei die exakt geregelte Kühlmediumtemperatur, die für die präzise Bearbeitung in der Maschine notwendig ist. Gleichzeitig soll die Kühlung möglichst energieeffizient arbeiten, flexibel einsetzbar sein, zuverlässig und sicher sein sowie eine einfache Wartung ermöglichen. Diese Anforderungen hat Rittal in seinen neuen Chillern der Serie Blue e+ umgesetzt.


Moderne Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung von Metall benötigen in aller Regel eine Kühlung. Vor allem die Antriebstechnik in den Spindeln produziert Wärme, die gezielt abgeführt werden muss. Die Kühlung der Spindeln geschieht dabei mit einer Flüssigkeitskühlung. Das dazu benötigte Kühlmedium wird häufig durch einen Chiller bereitgestellt, die dafür sorgen, dass die Werkzeugmaschine unabhängig von einer externen Kühlmediumversorgung betrieben werden kann. Im Chiller erzeugt ein Inverter geregelter DC-Kompressor für die notwendige Kälteleistung: Ein Kühlmediumkreislauf transportiert das Kühlmedium dann zum Verbraucher z.B. Spindeln oder auch wassergekühlten Antrieben. Über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher kann der Chiller gleichzeitig auch den Schaltschrank der Werkzeugmaschine effizient im Verbund klimatisieren.

Energieverschwendung vermeiden

Bis zu 15 Prozent des gesamten Energieverbrauches einer Werkzeugmaschine entfällt auf die Kühlung. Hier bietet sich ein lohnender Ansatzpunkt, um die Energieeffizienz der Werkzeugmaschine zu steigern. Grund für den hohen Energieverbrauch ist eine besondere Anforderung: Die Temperatur des Kühlmediums muss sehr präzise geregelt werden, die Hysterese darf maximal 0,5K betragen. Größere Temperaturschwankungen würden aufgrund der Wärmeausdehnung der Komponenten zu Ungenauigkeiten am bearbeiteten Werkstück führen. Da herkömmliche Kompressor-Kältemaschinen mit einer Zwei-Punkt-Regelung arbeiten, die eine deutlich höhere Hysterese von etwa 4K hat, kommt eine sogenannte Heißgas-Bypass-Regelung zum Einsatz. Dabei läuft der Kältekompressor stets unter Volllast. Die gewünschte Temperatur wird dadurch geregelt, dass heißes Kältemittel aus dem Rücklauf über ein Regelventil dem Vorlauf zugeführt wird. Diese Methode arbeitet zwar sehr genau, da aber ein Teil der Kälteleistung künstlich vernichtet wird, ist die Energieeffizienz dieser Methode vergleichsweise schlecht. Rittal hat in einer detaillierten Kundenbefragung die wichtigsten Anforderungen an die Chiller untersucht. Insgesamt 33 Kunden aus dem Maschinenbau, der Laserindustrie, Elektrotechnik und Automation, Prozessindustrie, Druckindustrie und einigen weiteren Branchen wurden dabei nach ihren Erwartungen befragt. Die Ergebnisse wurden mit einer QFD-Analyse ausgewertet. Das größte Verbesserungspotential sehen die Kunden demnach in der Energieeffizienz. Weitere wichtige Anforderungen sind eine genaue Temperaturregelung, eine intuitive und einheitliche Bedienung, eine Drehzahlregelung der Antriebe sowie eine hohe Verfügbarkeit. Um diese Kundenanforderungen zu erfüllen, bringt Rittal mit der neuen Serie Blue e+ eine Chiller-Generation auf den Markt, die eine verbesserte Energieeffizienz bietet. Maß für die Energieeffizienz bei der Kälteerzeugung ist die so genannte Energy Efficiency Ratio (EER), die aus dem Verhältnis von Kühlleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung gebildet wird. Herkömmliche Chiller mit Heißgas-Bypass-Regelung haben ein EER von 1, mit den neuen Blue e+-Chillern ist ein EER von 4 möglich. Grundlage für die hohe Energieeffizienz ist ein drehzahlgeregelter Kompressor. Statt wie bei der Heißgas-Bypass-Regelung den Kältekompressor unter Volllast zu betreiben und einen großen Teil der Kälteleistung zu vernichten, kann der Inverter geregelte DC-Kältekompressor genau so viel Kälteleistung bereitstellen, wie aktuell benötigt wird. Damit kann die Hysterese extrem klein gehalten werden, ohne dass unnötig Kälteleistung verschwendet werden müsste.

Bis zu 70 Prozent Energieeinsparung

Für den Antrieb der Kompressoren setzt der Anbieter DC-Synchronmotoren ein, die in den meisten Betriebsbereichen einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche AC-Asynchronmotoren erreichen. Mit einem sogenannten Inverter kann die Drehzahl dieser Motoren in Verbindung mit DC-Radialventilatoren und einem elektronischen Expansionsventil exakt geregelt werden, so dass der Chiller stets mit der optimalen Drehzahl läuft. Mit dieser Antriebs- und Regelungstechnik lassen sich im Vergleich zu Chillern mit Heißgas-Bypass-Regelung bis zu 70 Prozent Energie sparen. Da die Motoren nur selten ein- und ausgeschaltet werden, ist außerdem die Lebenserwartung der Komponenten höher. Eine weitere Neuerung ist die Microchannel-Technologie in den Wärmeüberträgern. Durch die im Verhältnis zum Volumen größere Oberfläche für den Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Kühlwasser kann die Kältemittelmenge um bis zu 55 Prozent reduziert werden. Die Wärmeübertrager sind dadurch kompakter und leichter und gleichzeitig entlastet die geringere Kältemittelmenge die Umwelt.

Neue Chiller in drei flexiblen Leistungsklassen

Die neuen Chiller sind in drei Leistungsklassen mit Kälteleistungen von 2,5,4 und 6kW (regelbar zwischen 20 bis 100 Prozent) erhältlich. Neben der höheren Energieeffizienz hat Rittal zahlreiche weitere Innovationen in den Geräten umgesetzt. So bieten sie dem Anwender im Vergleich zu den Vorgängermodellen eine höhere Flexibilität. Der mögliche Temperaturbereich ist sowohl bei der Umgebungstemperatur als auch bei der Vorlauftemperatur des Kühlmediums größer. So können die Chiller jetzt bei Umgebungstemperaturen von -5 bis 50°C eingesetzt werden, die Vorlauftemperatur des Kühlmediums kann 5 bis 35°C betragen. Mit einem integrierten Strömungssensor im Kühlmediumkreislauf und einer Füllstandsüberwachung hat der Anwender ein Plus an Sicherheit. Dazu trägt auch das Überströmventil im Mediumkreislauf bei, das automatisch öffnet, wenn der Kühlmediumkreislauf am Verbraucher unterbrochen wird. Die Filtermattenüberwachung informiert den Anwender rechtzeitig, wenn ein Austausch der Filtermatte notwendig ist. Durch die hohe Schutzart IP54 auf elektrische Komponenten ist jetzt auch ein Betrieb der Chiller im Semi-Outdoor-Bereich - etwa unter einem Vordach oder innerhalb einer offenen Halle - möglich. Die Chiller sind sehr kompakt und benötigen eine deutlich kleinere Aufstellfläche von 0,29m². Dies entspricht einer Verringerung der Aufstellfläche um 30 Prozent. Zusammen mit im Zubehör erhältlichen Lenkrollen, Nivellierfüßen oder Traversen (Sockel) ist eine flexible Aufstellung problemlos möglich. Auch eine weitere wichtige Anforderung vieler Maschinenbauer erfüllt Rittal: Die Anzahl der verschiedenen Varianten wurde reduziert. Durch den weiten Spannungsbereich (380 - 415V, 50Hz, und 440 - 480V, 60Hz, 3~ (+/-5%) lassen sich die Geräte weltweit bei allen gebräuchlichen Netzfrequenzen und Netzspannungen einsetzen. Maschinenbauer müssen also nur mit einem Gerät planen. Approbationen für alle wichtigen Märkte wie Culus Listed, EAC, CCC und GS erleichtern den internationalen Einsatz zusätzlich. Darüber hinaus gewährleistet der Anbieter eine TÜV-geprüfte Leistung nach DIN EN14511. Maschinenbauer profitieren zudem vom modularen Aufbau sowohl der Blue e+ Chiller als auch der Blue e+ Kühlgeräte und müssen durch die Gleichteileverwendung weniger Komponenten auf Lager legen. Da die Komponenten mit QR-Codes versehen sind, vereinfacht sich außerdem noch die Nachbestellung von Verbrauchsmaterialien und Ersatzteilen. Für die Blue e+ Chiller sind verschiedene vorkonfektionierte Optionspakete erhältlich: 'Verstärkte Pumpe', 'Inverter-Pumpe', 'Laser' (Anwendung mit deionisiertem Wasser), 'Außenaufstellung' (Outdoor bis -20°C), 'Kühlung von Öl / Emulsion', 'Integrierter Freikühler' (Free-Cooler) zur maximalen Energieeffizienz (Hybrid-Betrieb) und eine 'wassergekühlte Ausführung' sowie 'integrierte Heizung' zur Mediumvortemperierung .

Einfaches Bedienkonzept

Die Bedienung durch den Endkunden ist mit den neuen Blue e+- Chillern ebenfalls einfacher geworden. Ein Bedienpanel mit Touchdisplay stellt alle Meldungen in Klartext dar. Die Sprachen - insgesamt 21 - lassen sich dabei je nach Bedarf umschalten. Der Bediener erhält so schnell die wichtigsten Informationen und Statusmeldungen und kann entsprechend reagieren. Die von den Blue-e+-Kühlgeräten bereits etablierte Blue e+-App, die über NFC mit den Geräten kommuniziert, ist auch für die Blue e+-Chiller geeignet. Damit lassen sich wichtige Informationen drahtlos übertragen - gerade wenn mehrere Chiller konfiguriert werden, ist dies eine Arbeitserleichterung. Auch die Parametrier- und Diagnose-Software RiDiag III kann mit den Blue e+-Chillern verwendet werden. Die Software kann entweder über USB oder zukünftig über verschiedene Netzwerkprotokolle mittels ComModul mit dem Blue e+ Chiller kommunizieren. Alle Funktionen, Darstellungen und Bedienmöglichkeiten, die das Touch-Display zu Verfügung stellt, gibt es analog auch auf dem Bildschirm. Funktionen innerhalb der Software unterstützen den Anwender zusätzlich bei der Analyse der Energieeffizienz und bei der Wartung.