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Adaptives Kühlsystem mit thermoelektrischen Generatoren

Experimentelle Evaluation in einer Werkzeugmaschine mit Lineardirektantrieben
  • Eckart Uhlmann , Mitchel Polte , Sebastian Salein , Florian Triebel and Nico Iden
Published/Copyright: December 2, 2019
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Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb
From the journal Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb Volume 114 Issue 11

Kurzfassung

Mit dem Ziel einer bedarfsgerechten sowie energieeffizienten Kühlung von Lineardirektantrieben (LDA) wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin ein adaptives Kühlsystem mit thermoelektrischen Generatoren (TEG) entwickelt. Basierend auf dem thermoelektrischen Seebeck-Effekt wandeln die im Wärmestrom angeordneten TEG einen Anteil der thermischen Verlustleistung des Antriebs in elektrische Energie. Durch die Integration einer Wasserpumpe sowie eines Lüfters als elektrische Verbraucher wird eine elektrische Leistung rekuperiert, dessen Betrag sich als Funktion der anliegenden Temperaturdifferenz an den TEG, und damit in Abhängigkeit des induzierten Wärmestroms, einstellt. Dieser Aufbau bildet ein sich selbstregelndes Kühlsystem, das die Kühlleistung durch Anpassung des Kühlwasser-Volumenstroms bedarfsgerecht einstellt. Der Fachbeitrag präsentiert die prototypische Integration des adaptiven Kühlsystems in eine Werkzeugmaschine mit LDA. Anhand von experimentell ermittelten Daten werden die Funktionsfähigkeit sowie die adaptiven Eigenschaften des Kühlsystems nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nutzung von systeminhärenter Energie zum Betreiben eines Kühlsystems für Werkzeugmaschine grundsätzlich möglich ist.

Abstract

Experimental evaluation of an adaptive cooling system with thermoelectric generators into a high-dynamic machine tool. With the objective of demand-oriented and energy-efficient cooling of linear direct drives, an adaptive cooling system with thermoelectric generators was developed at the Institute for Machine Tools and Factory Management (IWF) of the Technische Universität Berlin. Based on the Seebeck-effect thermoelectric generators convert parts of thermal losses into electrical energy. Thermoelectric generators are arranged in the heat flow between the primary part of a linear direct drive and the cooling system to effect temperature differences on the opposite surfaces. The integration of a water pump and a fan as electrical loads of the circuit enables the recuperation of electrical power. Its amount is given as a function of the applied temperature differences at the thermoelectric generators, and thus related to the induced heat flow rate. This design forms a so called thermoelectric self-cooling system, which controls the cooling capacity adaptively and demand-oriented by adjusting the volumetric flow rate of the cooling water. The present paper shows the prototypical realization as well as the integration of the adaptive cooling system into a machine tool with linear direct drives. Based on experimentally determined data, the functionality and the adaptive properties of the cooling system are demonstrated. The results indicate the fundamental feasibility of an adaptive cooling system for high dynamic machine tools operated only by system-inherent energy.

Prof. Dr. h. c. Dr-Ing. Eckart Uhlmann, geb. 1958, hat an der TU Berlin Maschinenbau mit der Fachrichtung Produktionstechnik studiert. Von 1986 bis 1994 war er Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin und promovierte 1993. Nach dieser Tätigkeit war er von 1994 bis 1997 in der Industrie tätig. Seit 1997 ist er Professor für das Fachgebiet Werkzeugmaschinen Fertigungstechnik am IWF der TU Berlin sowie Institutsleiter des Fraunhofer IPK, Berlin.

Dr.-Ing. Mitchel Polte war ab 2012 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWF der TU Berlin tätig und promovierte dort 2017. Seit dieser Tätigkeit ist er als Oberingenieur für die Bereiche Mikroproduktionstechnik sowie Werkzeugmaschinen am IWF verantwortlich.

Sebastian Salein ist als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Werkzeugmaschinentechnologie am IWF tätig. Im Rahmen eines von der DFG geförderten Forschungsprojekts mit dem Titel Konzepte zur energieautarken Kühlung von Lineardirektantrieben konnte sich Herr Salein einschlägige Erfahrungen bei der Entwicklung, Modellierung und Simulation von thermoelektrischen Kühlsystemen aneignen.

Florian Triebel und Nico Iden sind als Studentische Mitarbeiter in die Bearbeitung des genannten Forschungsprojekts involviert. Die Tätigkeitsschwerpunkte liegen im Bereich der konstruktiven Gestaltung, der prototypischen Realisierung sowie der experimentellen Evaluation.

Literatur

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Online erschienen: 2019-12-02
Erschienen im Druck: 2019-11-28

© 2019, Carl Hanser Verlag, München

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https://doi.org/10.3139/104.112150

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