DE10101889A1 - Vorrichtung zum Gewinnen von Feinstpartikeln aus fluiden Stoffgemischen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gewinnen von Feinstpartikeln aus fluiden Stoffgemischen mit Partikeln unterschiedlicher Größe für die Minimalmengen-Kühlschmierung, wobei DOLLAR A a) sie wenigstens eine Kammer (1) aufweist, an der wenigstens eine Zuführ- (2) und wenigstens eine Abführleitung (3) für die Stoffgemische angeordnet sind, DOLLAR A b) die Kammer im wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet ist, DOLLAR A c) die Zuführleitung (2) so angeordnet ist, daß die größeren Partikel des tangential zur Zylinderwand (4) in die Kammer (1) eintretenden Stoffgemisches sich an den Zylinderwänden sammeln und DOLLAR A d) die Abführleitung (3) in der Deckfläche (5) der zylinderförmigen Kammer (1) derart angeordnet ist, daß im wesentlichen nur die Feinstpartikel des Stoffgemisches aus der Kammer abgeleitet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gewinnen von Feinstpartikeln aus fluiden Stoffgemischen für die Minimalmengen-Kühlschmierung.

In vielen Bereichen der heutigen Fertigungstechnik und Fertigungsprozesse ist man bestrebt, dem Einsatz an flüssigen und gasförmigen Medien sowie Feststoffen möglichst weitgehend zu minimieren, um Kosten zu sparen und bessere Ergebnisse durch die Feindosierung zu erreichen.

Ein Beispiel ist der Bereich der Zerspanungstechnik. Durch die immer schwieriger werdenden Bearbeitungsvorgänge ist hierfür der Einsatz von Schmier- und Kühlmitteln erforderlich. Diese Kühl-Schmiermittel werden durch die inneren Durchgänge der Bearbeitungsmaschine sowie des Werkzeuges an die Schneide geführt. Hierbei werden in den meisten Fällen flüssige Kühl-Schmiermittel strahlförmig auf das zu kühlende Werkzeug aufgebracht.

Bei der Minimierung der aufzubringenden Mengen an Kühl-Schmiermittel stößt man in vielen Fällen auf die Schwierigkeit, diese Stoffe an den entsprechenden Einsatzort zu verbringen. Diese Probleme treten vor allem bei der sogenannten inneren Minimalmengen-Kühlschmierung (IMMKS) auf. Hierunter versteht man die Schmierung von Bearbeitungsprozessen durch innengekühlte, rotierende Werkzeuge.

Da die Durchführungen für Kühl-Schmiermittel in den Bereichen der Innenkühlung aufgrund der oftmals schweren Zugänglichkeit zum Werkzeug sehr verschlungen sind und deshalb keinen geraden Durchgang besitzen, ist das Einsetzen der Minimalmengen-Kühlschmiersysteme mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.

Der einfachste Weg zur Durchführung der inneren Minimalmengen-Kühlschmierung ist, vor der einkanaligen Drehdurchführung einer Spindel ein fertiges Luft-Öl- Gemisch zu erzeugen und durch Drehdurchführung, Spindel, Werkzeugaufnahme und Werkzeug zu sprühen. An der Öffnung des Werkzeuges trifft das Gemisch auf die Schnittstelle und führt den Schmierprozess durch.

Aber selbst bei der Bildung solcher Gemische bleibt das Kühl-Kühl-Schmiermittel unter Umständen in verschiedenen Bereichen der Durchführung haften. An diesen Haftstellen sammelt sich in Folge dessen mit der Zeit Kühl-Schmiermittel an. Mit fortschreitender Prozessdauer kann es dazu kommen, daß dieses angesammelte Kühl-Schmiermittel sich ablöst und sodann in unkontrollierter Menge als Kühl- Schmiermittel auf das Werkzeug trifft.

Weiterhin ist zu bedenken, daß bei der beschriebenen Art der inneren Minimalmengen-Kühlschmierung das Kühl-Schmiermittel in kleinste Partikel zerteilt werden muß. Größere Partikel würden von der Zentrifugalkraft auf ihrem Wege durch die rotierende Spindel (in der Regel 10.000-20.000 min^-1, z. T. bis 60.000 min^-1) erfasst und ausgeschleudert. Dadurch wird die Kühl-Schmiermittelversorgung am Werkzeug unterbrochen. Auch hier ergibt sich der Nachteil, daß beim Ausscheiden der Spindel die ausgeschleuderten Ölmengen mit einem Schlag austreten.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 29720906 ist eine Vorrichtung zur Förderung von Minimalmengen von flüssigen und gasförmigen Medien bekannt. Hierbei wird eine Kammer verwendet, die einen ei- bzw. birnenförmigen Innenraum aufweist. Im Eingangsbereich der Kammer befindet sich eine Anordnung zur Aufnahme einer oder mehrere Zerstäuberdüsen. Durch die Düsen wird das Medium zerstäubt und bereits vor Eintritt in den Innenraum durch die spezielle Anordnung der Düsen in eine leichte Drehung versetzt. Die Ausgangsöffnung ist nach außen hin verjüngt und kann über ein Verbindungsstück an beliebige Durchgänge verbunden werden. Die für die Förderung erforderliche Druckluft, bzw. das Gas wird an einem tangential angeordneten Stutzen in das Gehäuse eingebracht.

Die einstrebende Druckluft bzw. das Druckgas erzeugt zum einen an der äußeren Umrandung des Innenraums eine äußere Luft- bzw. Gaswirbelschicht, die sich zur Ausgangsöffnung hin durch die Verjüngungsform in einen Forderwirbel und einen zunächst nach hinten gebenden Wirbel aufteilt. Der zunächst nach hinten gehende Wirbel wird an der Innenwandung es Kammergehäuses nochmals umgelenkt und erzeugt so zum Ausgang des Kammergehäuses hin eine Trichterform. Das axial eingeführte bzw. zerstäubte Medium wird durch die Trichterform des inneren Wirbels zur Mitte hin eingedreht und stabilisiert. Es verläßt, durch die Luft- bzw. Gaswirbelschicht gepolstert, den Innenraum des Kammergehäuses und wird zum Einsatzort des Mediums geführt.

Bei Einsatz der beschriebenen Vorrichtung ergeben sich hinsichtlich der Minimalmengen-Kühlschmierung erhebliche Probleme. Denn es werden sowohl große Partikel als auch feine Partikel des Gemischs zum Ausgang der birnenförmigen Kammer geführt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, eine Vorrichtung zum Gewinnen von aus Feinstpartikeln bestehenden Stoffgemischen für die Minimalmengen-Kühlschmierung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

• a) die Vorrichtung wenigstens eine Kammer aufweist, an der wenigstens eine Zuführ- und wenigstens eine Abführleitung für die Stoffgemische angeordnet sind,
• b) die Kammer im wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet ist,
• c) die Zuführleitung so angeordnet ist, daß die größeren Partikeln des tangential zur Zylinderwand in die Kammer eintretenden Stoffgemisches sich an der Zylinderwand sammeln und
• d) die Abführleitung in der Deckfläche der zylinderförmigen Kammer derart angeordnet ist, daß im wesentlichen nur die Feinstpartikel aus der Kammer abgeleitet werden.

Erfindungsgemäß kann die Kammer beliebige zylinderische Formen haben. D. h. es kommen alle denkbaren geometrischen Grundflächen in Betracht. Beispielsweise können unregelmäßige Grundflächen elliptische und kreisförmige Grundflächen zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß bevorzugt ist, daß die Grundflächen der zylinderförmigen Kammer nahezu kreisförmig, besonders bevorzugt kreisförmig sind.

Die zylinderförmige Kammer kann beliebig, d. h. aufrecht stehend, in horizontaler Lage liegend oder beliebiger Schrägposition, angeordnet sein.

Bei der erfindungsgemäß eingesetzten Kammer handelt es sich vorzugsweise um einen aufrechtstehenden Zylinder. Hierbei kommen sowohl gerade als auch schiefe Zylinder in Betracht.

Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn in der Zylinderwand in der Nähe des Bodenbereichs der Kammer die Zuführleitung angeordnet ist. Über diese Zuführleitung sprüht eine Düse tangential ein Stoffgemisch in den Zylinder und vernebelt den flüssigen Bestandteil des Stoffgemisches mit Druckluft. Wesentlich ist, daß Partikelgrößen ≦ 2 µm in ausreichender Menge vorhanden sind, Gewöhnlich entstehen Gemische mit Partikelgrößen zwischen 0,1 bis 400 µm. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird demgemäß die Zufuhrleitung in Form von Zerstäuberdüsen ausgeführt, mit denen sich die genannten Partikelgrößen zwischen 0,1 und 400 µm erzeugen lassen.

Erfindungsgemäß ist es sowohl möglich, über verschiedene Leitungen verschiedene Stoffe in die Kammer einzubringen, als auch zuvor hergestellte Stoffgemische über eine Leitung in die Kammer einzubringen. Als Stoffe bzw. Stoffgemische kommen Schmierstoffe in Betracht, die sich mit Luft vernebeln lassen.

Die Stoffe oder die Stoffgemische können über eine Zuführleitung eingebracht werden, die horizontal angeordnet ist. Neben dieser erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform sind jedoch auch andere Lagen der Zuführleitung denkbar. Die Ausgangsdüse der Zuführleitung kann in Höhe der Zylinderwand liegen oder auch an beliebiger Stelle innerhalb der Kammer. Wesentlich ist in jedem Falle, daß eine Anordnung gewählt wird, durch die innerhalb des Zylinders eine Rotationsbewegung erzielbar ist.

Infolge der Rotation des Gemisches im Zylinder werden die großen Partikel auf eine Außenbahn geschleudert. D. h. diese sammeln sich an der Kammerwand, während die Feinstpartikel sich in der Mitte zentrieren. Im wesentlichen sollen mithin die Partikelgrößen ≦ 2 µm sich im Kammerraum sammeln, während an der Kammerwand oder in der Nähe der Kammer sich die Partikelgrößen ≧ 2 µm anreichern.

Um diesen Effekt zu erreichen ist es unbedingt notwendig, daß die Lage der Zuführleitung so ausgewählt wird, daß entlang der Zylinderwand eine Rotationsbewegung erzeugt wird. Weiterhin wesentlich ist, daß die Stoffe bzw. Stoffgemische mit einer ausreichenden Geschwindigkeit eingebracht werden. Erreicht wird dies dadurch, daß mit einem Druck von 2-10 bar, vorzugsweise 2-5 bar die Stoffe bzw. die Stoffgemische in die Kammer eingebracht werden.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nach dem beschriebenen somit erreicht, daß im wesentlichen die Feinstpartikel sich mittig in der Kammer anordnen. Dieser Effekt wird insbesondere bei zylinderkreisförmig ausgebildeten Kammern erzielt. Bei elliptischen Formen oder anderen Ausgestaltungen der zylinderförmigen Kammer lassen sich prinzipiell diese Effekt ebenfalls erreichen.

Die sich an der Kammerwand ansammelnden Partikel bilden ein Fluid, das an der Wand nach unten abfließt. Unterhalb der Kammer befindet sich ein Sammelbecken. Durch die Bodenfläche hindurch ist erfindungsgemäß demgemäß vorzugsweise eine Abführleitung gezogen, durch die das an der Zylinderwand abfließende Fluid in die Sammelwanne abgeführt werden kann. Von dieser Wanne aus kann das gesammelte Fluid wieder in den Prozeß eingeführt werden. D. h. es kann wieder über die Zuführleitung und Druckdüse in das Kammerinnere verbracht werden.

Die Feinstpartikel werden in Folge der Rotationsbewegung in Richtung der Abführleitung transportiert. Diese ist erfindungsgemäß regelmäßig in der Deckfläche des Zylinders angeordnet. Und zwar geschieht dies derart, daß im Falle der zylinderkreisförmig ausgebildeten Kammer die Abführleitung mittig in der Deckfläche angeordnet ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß die sich mittig sammelnden feinen Partikel abgeführt werden.

Die Abführleitung ist derart ausgestaltet, daß nur bestimmte Partikelgrößen hindurchgelangen.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird somit erreicht, daß bei Einhaltung der Druckverhältnisse Partikel im Bereich von ≦ 2 µm über die Abführleitung abgeführt wird. Die Abführleitung ist ferner verstellbar, so daß das Leitungsende in verschiedenem Abstand zur Kammerdecke abgeordnet sein kann.

In einer erfindungsgemäßen Variante können in der Kammer Schikanen angeordnet sein. Durch diese wird die Kammer regelmäßig in einen unteren und oberen Teil getrennt. Die Schikanen sind so ausgestaltet, daß sämtliche mittig vorhandene Partikel in Richtung Kammerwand gelenkt werden können. In einer Variante, die erfindungsgemäß bevorzugt ist, wird in eine zylinderkreisförmige Kammer eine Schikane eingesetzt, welche nur an der Zylinderwand einen schmalen Spalt offen läßt. Vorzugsweise hat diese Schikane Kegelform. Das kegelförmige Gebilde wird derart eingesetzt, daß die Kegelspitze nach unten zeigt. Hierdurch wird erreicht, daß die sich mittig ansammelnden Partikel zur Außenwand hingelenkt werden. So werden auch etwaig mittig vorhandene größere Partikel zur Außenwand gelenkt. Dort bilden diese eine Fluid, das an der Kammerwand abläuft, während die Feinstpartikel durch einen Spalt zwischen Schikane und Kammerwand in Richtung Abführleitung transportiert werden.

Hierdurch wird somit gewährleistet, daß größere Partikel nicht mehr in Richtung Abführleitung gelangen können. Die Spaltbreite liegt erfindungsgemäß bei 1-10%, vorzugsweise bei 1-5% der Kammerbreite in Höhe der Schikanen d. h. bei kreisförmigen Kammern beziehen sich die Prozentangaben auf den Durchmesser des Kreiszylinders.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gewährleistet, daß nur Stoffgemische mit Feinstpartikeln vorzugsweise im Bereich von ≦ 2 µm der Kühlschmierung zugeführt werden. D. h. es ist eine echte Minimal-Kühlschmierung gewährleistet. Vorteilhaft ist hierbei, daß der Einsatz der Düsen für die Vernebelung der Stoffgemische nicht mehr mit den bisher bekannten Problemen verbunden ist. Es reicht völlig aus, wenn Partikelgrößen im Bereich von 0,1-400 µm in die erfindungsgemäße Kammer eingebracht werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben.

In der Figur ist die erfindungsgemäße Kammer 1 dargestellt. In der beschriebenen beispielhaften Ausführungsform handelt es sich um ein kreiszylinderförmiges Gebilde mit Zylinderwand 4, Deckfläche 5 und Bodenfläche 10. Dargestellt ist die erfindungsgemäß bevorzugte Variante eines geraden, aufrechtstehenden Zylinders.

Über die Zufuhrleitung 2 wird dicht oberhalb der Bodenfläche 10 im Bodenbereich 6 über eine Zerstäuberdüse 12 ein Schmierstoff zugeführt. Hierbei wird mit einem Druck der Schmierstoff vernebelt und tangential zur Zylinderwand 4 in die Kammer 1 eingebracht. Dadurch entsteht eine Rotation mit dem Ergebnis, daß sich die großen Partikel an der Zylinderwand ansammeln, während mittig die Feinstpartikel im wesentlichen angeordnet sind. In der Beispielsvariante handelt es sich im wesentlichen um Partikel, die kleiner ≦ 2 µm sind. An der Außenwand sammeln sich demgemäß alle Partikel, die größer als 2 µm sind. Diese Flüssigkeitspartikel fließen an der Zylinderwand 4 ab und gelangen über die Öffnung 11 in einen Sammelbehälter (nicht dargestellt). Von diesem Sammelbehälter wird erfindungsgemäß der Schmierstoff wieder in den Prozeß zurückgeführt. Die Feinstpartikel werden an der Unterseite, d. h. dem Kegelmantel der kegelförmig ausgestalteten Schikane 7 in Richtung Zylinderwand geführt. Durch den schmalen Spalt 9 werden die Feinstpartikel sodann weiter nach oben befördert. Über den oberen Kammerabschnitt 8 gelangen die Feinstpartikel zu der Abführleitung 3. Von dort wird das Gemisch der Minimalmengen-Kühlschmierung zugeführt.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Gewinnen von Feinstpartikeln aus fluiden Stoffgemischen mit Partikeln unterschiedlicher Größe für die Minimalmengen-Kühlschmierung dadurch gekennzeichnet, daß

• a) sie wenigsten eine Kammer (1) aufweist, an der wenigstens eine Zuführ- (2) und wenigsten eine Abführleitung (3) für die Stoffgemische angeordnet sind,
• b) die Kammer im wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet ist,
• c) die Zuführleitung (2) so angeordnet ist, daß die größeren Partikel des tangerntial zur Zylinderwand (4) in die Kammer (1) eintretenden Stoffgemisches sich an den Zylinderwänden sammeln und
• d) die Abführleitung (3) in der Deckfläche (5) der zylinderförmigen Kammer (1) derart angeordnet ist, daß im wesentlichen nur die Feinstpartikel des Stoffgemisches aus der Kammer abgeleitet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) als Kreiszylinder ausgestaltet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) als gerader Zylinder ausgestattet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Abführleitung (3) im wesentlichen mittig in der Deckfläche (5) der Kammer (1) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (2) in der Zylinderwand (4) in der Nähe des Bodenbereichs (6) der Kammer (1) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Bodenbereichs (6) die Kammer (1) derartig mit Schikanen (7) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Schikanen (7) derart kreisförmig ausgestaltet und derartig angeordnet sind, daß an der Zylinderwand (4) der Kammer (1) nur eine schmale Durchtrittsöffnung (9) für das Stoffgemisch vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (9) eine Spaltbreite von 1-10%, vorzugsweise von 1-5% bezogen auf die Kammerbreite in Höhe der Schikane aufweist.

9. Verfahren zum Gewinnen von Feinstpartikeln aus fluiden Stoffgemischen für die Minimalmengen-Kühlschmierung dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoffgemisch über eine Zuführleitung (2) in eine zylinderförmig ausgestaltete Kammer (1) tangential zur Zylinderwand (4) derart eingebracht wird, daß die größeren Partikel sich an der Zylinderwand (4) sammeln, die Feinstpartikel in den oberen Bereich (8) der Kammer (1) transportiert werden, wo sie in der Deckfläche (5) angeordnete Abführleitung (3) abgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß Stoffgemische mit Partikeln von ≦ 2 µm abgeführt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Stoffe in die Kammer (1) eingebracht werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das vernebelte Stoffgemisch Partikelgrößen im Bereich von 0,1 bis 400 µm aufweist.

13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Gewinnung von Stoffgemischen für die Minimalmengen-Kühlschmierung.